高压下氨-氦化合物研究取得进展

近期，计算物理团队王贤龙研究员与江苏师范大学李印威教授合作，采用第一性原理方法、基于粒子群优化算法的全局结构搜索方法和分子动力学方法研究了高压下氨-氦化合物的物性，预测了系列稳定的氨-氦高压化合物。指出氦并不像人们普遍认为的只能够存在于天王星和海王星的大气中，而很有可能也会大量存在于其上地幔中。相关成果以“Formation of ammonia-helium compounds at high pressure”为题发表在《自然-通讯》上(Nature Communications 11,3164 (2020))上。

氦是宇宙中含量第二的元素，占宇宙总质量的23%，仅次于氢。氦是一种惰性气体元素，很难与其他元素形成化合物，地球上的氦主要以气体形式存在于天然气和放射性矿石中，含量非常稀少，属于稀有气体。研究发现天王星和海王星的大气中存在大量氦气，因为氦是惰性气体元素，所以人们普遍认为在天王星和海王星等冰巨星的地幔（主要由甲烷、氨和水构成）中是不存在氦元素的。

团队通过计算模拟得到了氨-氦在0～300 GPa和0～5000 K温压条件下的相图。结果显示，氨和氦在9 GPa的压力下就能形成稳定的(NH₃)₂He化合物，在9～300 GPa的压力范围内可以形成四种稳定的氨-氦化合物。有趣的是在Fmm₂^-(NH₃)₂He相中发生了由NH₃到(NH₂)^-和(NH₄)⁺的分解，H，He和N随着温度的升高会依次进入快速移动的状态，展现出丰富和复杂的相变行为。并且Fmm₂^-(NH₃)₂He相在天王星和海王星的下地幔温压范围内也能够以超离子态与液态混合的形式存在，说明氦很有可能普遍存在于天王星和海王星的上地幔中。此工作加深了对高压下氦化合物结构和物性的认识，对人类认知冰巨星具有重要意义。

 该工作得到了国家自然科学基金和挑战计划等项目的支持。

 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16835-z

图1. 压力下氨-氦化合物的相图。

图2. 分子动力学计算的Fmm₂^-(NH₃)₂He相在不同温压条件下的均方差位移和原子移动轨迹。