众所周知，氦和水在整个宇宙中都很丰富，特别是在天王星和海王星等巨行星中。虽然氦气在常见的大气条件下通常不起反应，但过去的研究发现它有时会在高压下与其他元素和化合物发生反应。
南京大学和剑桥大学的研究人员最近进行了一项研究，调查氦气和水在高压条件下的反应，例如其他行星上的反应。在自然物理学的研究中，他们揭示了两种以前未知的超离子状态，它们称为SI-I和SI-II。超离子状态基本上是物质的相，其中化合物可以同时表现出液体和固体的某些性质。
“氦气是元素周期表中最惰性的元素，通常被认为在环境条件下不起作用，”进行这项研究的研究人员之一孙健告诉Phys.org。“然而，已发现氦气在高压下会与某些元素和化合物发生反应。我们想了解氦气和水是否能在高压下相互作用，以及在行星条件下可能出现的状态的性质。”
近年来，超离子国家已成为全球许多研究团队感兴趣的话题。这些状态的已知实例是超离子水(或冰)，即在非常高的温度和压力下发生的水相，氢原子可以自由移动并且氧原子固定在它们的亚晶格中。
在他们的研究中，Sun和他的同事们使用计算表明，氦气(He)和水(H 2 O)可以形成几种稳定的化合物，这些化合物存在于各种压力条件下(2-92 GPa)。有趣的是，他们发现在高压和高温下，这些化合物可以形成以前从未观察到的超离子状态。
“我们首先使用基于量子力学的晶体结构搜索方法来发现高压下最稳定的氦 - 水化合物，”参与该研究的另一位研究人员Chris Pickard告诉Phys.org。“然后我们在高压和高温下进行了广泛的从头算分子动力学模拟，以探索这些化合物在行星条件下的状态。”
作为他们研究的最后一步，研究人员根据他们进行的模拟分析了氦 - 水化合物的超离子性质。这最终使他们能够为这些化合物中的每一种产生压力 - 温度相图。他们在不同压力和温度条件下对氦 - 水化合物的分析揭示了两种先前未知类型的超离子状态。
“在这些状态的第一个中，氦原子在固定的冰格框架内表现出液体行为，我们将其命名为SI-I，”参与该研究的另一位研究人员Richard Needs告诉Phys.org。“在第二阶段，氦和氢原子在固定的氧亚晶格内以液体状态移动，我们称之为SI-II。我们发现，与纯水相比，氦的插入大大降低了超离子态的压力。 “
Sun，Pickard，Needs及其他团队收集的调查结果可能会产生一些实际意义。例如，它们可以帮助改善我们目前对氦化合物的理解，物质的熔化过程和巨行星的内部结构。
“我们现在将研究其他氦 化合物，特别是与行星科学直接相关的氦化合物，如氨或甲烷，”Sun说。“我们正在寻找宇宙中意想不到的结果，这提供了巨大的可能性。”