将水动态压缩到极高的温度和压力，发现了一种新的冰结构
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水是一个非常有趣的分子，它在不同的温度和压力下可以形成不同的固态结构。在地球上，我们最常见的冰是六方晶系的冰 Ih，它是由四面体配位的氧原子组成的。但是当压力增加时，水分子之间的氢键会发生变化，导致冰的结构发生转变。例如，在大约2 GPa 时，冰 Ih会转变为冰 II，它是由八面体配位的氧原子组成的。随着压力继续增加，还会出现其他类型的冰，如冰 III、冰 IV、冰 V等等。到目前为止，已经发现了19种不同类型的冰。
水也是构成冰巨行星（如天王星和海王星）的主要成分之一。这些行星的内部压力和温度非常高，远远超过了地球上水的常见状态。在这样极端的条件下，水会发生什么样的变化呢？一种可能性是水会完全分解为氢原子和氧原子，形成一个金属态的混合物。另一种可能性是水仍然保持分子结构，但形成一种新型的冰相。 为了探索冰巨行星的内部结构和性质，我们需要了解水在极端条件下的相变和电导率。然而，实验上测量这些性质是非常困难的，因为需要产生高达数百GPa的压力和数千K的温度，并且能够对水的结构进行精确的探测。 最近，一组科学家利用美国斯坦福大学的直线加速器相干光源实现了对水在冰巨行星内部条件下的动态压缩实验。他们使用一种叫做飞秒激光震波的技术，将一束强激光照射在水样品上，产生一个高速的冲击波，将水压缩到高压高温状态。同时，他们使用另一束X射线自由电子激光作为探针，对水样品进行X射线衍射分析，从而获得水分子中氧原子的排列方式。
驱动激光的波长是800纳米，持续时间是10皮秒。探测激光的波长是1.5埃，持续时间是50飞秒。他们在驱动激光打在水样品后的不同时间点上打探测激光，从而得到水在不同压缩阶段的X射线衍射图像。 通过这种方法，他们发现了一种新的水冰相，命名为冰XIX，其结构为体心立方（BCC）。这种结构与之前理论预测的几种立方或正交结构不同，表明水在高压高温下有着复杂而丰富的相图。冰XIX在200 GPa和约5000 K的条件下稳定存在，并且接近于熔化边界。这意味着，在冰巨行星的深层内部，可能存在着一种具有较高电导率和流动性的BCC水冰层。 这一发现对于理解冰巨行星的磁场和动力学有着重要的意义。冰巨行星的磁场与木星和土星等气态巨行星不同，呈现出非轴对称、非偶极的特征。这可能是由于冰巨行星内部存在着一个由离子化水组成的液态层，其对流运动产生了复杂的电流和磁场。如果水在高压高温下发生了相变和电离，那么它的电导率和流动性就会发生变化，从而影响磁场的形成和演化。因此，揭示水在极端条件下的物理性质，有助于我们更好地认识冰巨行星这一类神秘而迷人的天体。
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