研究超離子態冰的熱輸運對理解冰行星的熱演化、構建行星模型十分重要。傳統晶格動力學與經驗勢函數分子動力學方法不適用於超離子態體系。本文採用深度勢能分子動力學方法，克服了現有方法的短板，準確描述了極端條件下具有動態質子擴散的超離子態冰的動力學，計算了高溫高壓下超離子態冰的熱導率，發現了超離子態相變前後熱導率的非單調溫度依賴性，揭示了超離子態相變後聲子軟化、質子擴散增強等導致的熱傳導與熱對流競爭機制。
超離子態冰相變導致的反常熱輸運
研究背景
作為地球和宇宙中最豐富的物質之一，冰/水一直以來是科學研究的熱點。在行星內部，溫度達到數千K、壓強達到數十GPa，冰會呈現一種有趣的相——超離子態，其特點是氫離子/質子可在氧晶格中自由擴散。超離子態冰的熱輸運性質對理解冰行星的熱演化、構建行星模型十分重要，但現有研究多關注其相變過程與質子動力學，熱輸運方面鮮有報導。目前的熱測量實驗無法達到如此極端的高溫高壓條件。在模擬計算方面，質子的動力學特性使得傳統玻爾茲曼輸運方程方法不再適用，而第一性原理分子動力學計算成本極為昂貴，經驗勢函數無法準確描述極端條件、複雜原子環境下的原子間勢能面。巨大的技術挑戰使得超離子態冰的熱輸運研究長期以來一直是空白。
面對上述問題，國防科技大學物理系戴佳鈺教授課題組採用深度勢能分子動力學方法，研究了超離子態冰的熱輸運行為。基於第一性原理數據集，訓練得到深度神經網絡勢函數模型，計算了熱導率、擴散係數、動態結構因子、頻譜能量密度等物理量，發現了超離子態相變前後熱導率的非單調溫度依賴性，揭示了超離子態相變後聲子軟化、質子擴散增強等導致的熱傳導與熱對流競爭機制。
圖1：沿30 GPa等壓線、不同溫度下冰的原子軌跡與熱導率。(a) 冰VII相和超離子態VII"相的原子軌跡。氧原子和氫原子分別用橙色和藍色標記。青色標記的是氫原子從與相鄰氧原子間形成的成鍵狀態逐漸轉變為在不同氧原子間擴散的超離子態。(b) 熱導率隨溫度呈現非單調的變化趨勢。灰色的垂直虛線為VII-VII"相邊界。
圖2：熱對流機理。左圖中，(a) 熱導率中熱對流貢獻在超離子態相邊界附近隨溫度升高急劇增大。(b) 氫原子擴散係數增大兩個數量級，Arrhenius模型得到的質子擴散激活能在超離子態相變後顯著減小。右圖中，氫原子的歸一化動態結構因子隨溫度升高而展寬，且變化幅度遠比氧原子顯著，表明氫原子的熱擴散顯著增強。
圖3：熱傳導機理。(a) 熱導率中熱傳導貢獻隨溫度升高而減小，在超離子態相變處發生突變。(b) 頻譜能量密度結果表明，隨溫度升高，振動能量峰展寬、聲子軟化，對應聲子壽命和群速度減小。紅色和藍色虛線分別表示縱向和橫向聲學支在布里淵區中心附近的群速度。超離子態相變使得橫向聲子支呈現顯著軟化。
研究意義和重要性
該工作首次研究了超離子態冰的熱輸運和聲子性質，為理解冰行星熱演化和構建行星模型提供了數據支撐。同時，該工作採用的深度勢能分子動力學方法在極端條件物態物性研究領域極具前景。
