天王星、海王星磁場為何如此混亂？超離子水原子堆積結構可能是原因

地球磁場整齊，南極北極非常明確，相較之下，太陽系冰巨行星天王星、海王星的磁場非常奇怪，它們強烈傾斜，磁極偏離行星自轉軸且呈現多極狀，科學家一直無法完全解釋這種現象。

最近，科學家發現存於冰巨行星深處的極端超離子水內部多種原子堆疊結構共存，可能是造就天王星、海王星特殊磁場原因。

超離子水（superionic water）是一種在極端高壓、高溫環境才會出現的水相，表現得既像固體又像液體，氧大致固定在晶格位置，形成類似固體框架，氫則高度離子化，像帶電流體在氧晶格之間快速移動，也就是說，超離子水結構上像固體（有晶格），傳導性上則像導電液體或電解質。

由於超離子水的獨特結構可能產生導電特性，進而影響行星磁場，測量這些堆積結構是理解行星動力學關鍵。

SLAC 國家加速器實驗室團隊於是投入研究超離子水在不同狀態之間轉變的溫度和壓力，繪製超離子水內不同晶體結構界限，確認什麼條件下超離子水會從體心立方堆積（body-centered cubic，BCC）結構（氧分子堆積效率為 68%）洗牌成更緊密結構，如面心立方堆積（face-centered cubic，FCC）或六方最密堆積（hexagonal close-packed，HCP），後兩者結構堆積效率為 74%。

透過重現冰巨行星深處條件，研究人員利用 X 射線衍射追蹤超離子水的晶體堆積結構，驚訝發現統一條件下同時存在不同堆積結構的清晰特徵，經常觀察到 BCC 和 FCC 結構共存，其他條件下也能觀察到更奇特的 FCC 和 HCP 結構多重堆積。

與其他已知材料觀察到的相變不同，超離子水似乎一直同時表現混合堆積結構。

目前還不清楚為何超離子水展現這種奇怪特性，但由於剛性氧晶格和自由流動的氫原子賦予材料導電性能，這些堆積結構可能對行星產生深遠影響，團隊希望未來能更直接測量超離子水堆積結構的電導率，並探索不同化學成分如何影響材料行為。

新論文發表在《自然通訊》期刊。