Земные недра могут содержать «реки» протонов из суперионных фаз

Ещё в 1988 году Пьерфранко Демонтис высказал гипотезу, что лёд становится быстрым ионным проводником при высоких давлениях и температурах. Экспериментально суперионный водяной лёд был подтверждён лишь в 2018 году, и считается, что это состояние может объяснять сильные магнитные поля в недрах планет-гигантов. Группа учёных под руководством докторов Циньяна Ху, Дакёна Кима и Цзинь Лю из Центра передовых исследований науки и технологий высоких давлений обнаружила, что в аналогичную экзотическую суперионную фазу может переходить и гидратированный минерал из земной мантии. Результаты опубликованы в журнале Nature Geosciences.

Исследователи изучили гидроксид оксида железа (FeOOH). Вычисления показали, что при температуре выше примерно 1700°C и давлении в 800 000 атмосфер атомы водорода в его кристаллической решётке из кислорода становятся подвижными, подобно жидкости. «Эти глубокие области могут содержать «реки» из протонов, которые текут сквозь твёрдое вещество», — отметил доктор Ким. Эксперименты с алмазной наковальней и лазерным нагревом подтвердили предсказания: при 121 000 атмосфер и 1500–1700°C электропроводность образца резко возрастала, что является надёжным признаком перехода в суперионное состояние.

Это открытие меняет представления о физических свойствах и динамике нижней мантии Земли. Суперионные фазы, где водород становится высокоподвижным, могут влиять на теплоперенос, электропроводность и, возможно, на генерацию магнитного поля даже в каменных планетах. «Пиритоподобный FeO₂H_x — это лишь первый пример суперионных фаз в глубокой нижней мантии. Вполне вероятно, что и другие недавно открытые плотные водородсодержащие оксиды, стабильные в таких условиях, также могут проявлять суперионное поведение», — заключил доктор Лю.