Einem internationalen Forscherteam um Alexis Forestier ist erstmals der experimentelle Nachweis von hexagonal dichtest gepacktem, superionischem Wassereis gelungen. Die in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Entdeckung unter extremen Bedingungen im Labor liefert neue Einblicke in den inneren Aufbau von Eisriesen wie Uranus und Neptun.
Wassereis gehört zu den vielgestaltigsten Substanzen in der Physik. Zwar denken die meisten Menschen bei dem Begriff an einfache Eiswürfel, doch im Labor haben Wissenschaftler über 20 verschiedene Kristallformen nachgewiesen. Nun erweitern Forscher diese Liste um eine Struktur, die bislang nur aus theoretischen Vorhersagen bekannt war: Eine hexagonal dichtest gepackte Phase, kurz hcp genannt, von superionischem Wassereis.
Extreme Bedingungen in Diamantstempelzellen
Um diesen exotischen Zustand zu erzeugen, setzte ein internationales Forscherteam um Alexis Forestier auf spezielle Apparaturen. Um das Material gleichmäßig aufzuheizen, befand es sich in einer Umgebung aus Bor-dotiertem und damit laserabsorbierendem Diamant.
Die Messungen fanden an der European Synchrotron Radiation Facility statt, wo die Struktur mithilfe von Röntgenbeugung und einem Strahl von unter einem Mikrometer Breite ausgelesen wurde. Dabei bestätigten sich die physikalischen Bedingungen, wie sie tief im Inneren von Eisriesen wie Uranus und Neptun herrschen: Das Team wies nach, dass superionisches Eis oberhalb von 1800 Kelvin und 200 Gigapascal von einer kubisch-flächig zentrierten Form in die hcp-Variante übergeht. Bei den Endwerten von 219 Gigapascal und 2630 Kelvin dominierte die hexagonale Struktur klar, während die bisher bekannte fcc-Signatur praktisch verschwand.
Gleichzeitige Existenz von festem Kristallgitter und flüssigem Wasserstoff
Der superionische Zustand sprengt gängige Alltagsvorstellungen von Aggregatzuständen. Unter dem enormen Druck bleiben die schweren Sauerstoffatome in einem starren Kristallgitter fixiert, während sich die leichten Wasserstoffkerne aus ihren Bindungen lösen. Diese Protonen wandern völlig frei durch das Gitter hindurch.
Das Material verhält sich dadurch gleichzeitig wie ein kristalliner Festkörper und – bezogen auf den Wasserstoff – wie eine Flüssigkeit. Da die wandernden Protonen eine elektrische Ladung transportieren, leitet dieses Eis zudem Strom. Das Schmelzen des Eises wird unterdrückt, weil der extreme Druck die Sauerstoffatome so stark zusammenpresst, dass die Bindungskräfte im Gitter die thermische Bewegungsenergie der Atome übertreffen. Die Hitze reicht lediglich aus, um die Protonen in Gang zu setzen, während das Sauerstoffgerüst intakt bleibt.
Theoretische Vorhersagen und neue Blicke auf ältere Messdaten
Bereits vor über 30 Jahren hatten Physiker den superionischen Zustand vorhergesagt, doch ein erster belastbarer Laborbeweis gelang erst im Jahr 2018. Bisher ordnete sich der Sauerstoff im superionischen Regime üblicherweise kubisch-flächenzentriert an, bekannt als Eis XVIII oder fcc-Variante mit einer Stapelfolge von ABCABC. Die Theorie prognostizierte jedoch seit Jahren, dass bei noch höherem Druck die hcp-Struktur mit einer Stapelfolge nach dem Muster ABAB die Oberhand gewinnen sollte.
Der Nachweis klärte im Nachhinein auch rätselhafte Befunde aus früheren Versuchen auf. Bei der Durchsicht älterer Messdaten entdeckte das Team einen bis dahin nicht zugeordneten Beugungspeak oberhalb von 130 Gigapascal, der aller Wahrscheinlichkeit nach bereits die Signatur dieser hcp-Phase darstellt. Der Übergang erfolgt über eine sogenannte martensitische Umwandlung, bei der das gesamte Kristallgitter in einer koordinierten, scherartigen Bewegung verschoben wird, ohne dass einzelne Atome durch das Material diffundieren müssen.
