30多年前意大利物理学家Pierfrancon Demontis等人通过经典分子动力学预言了超离子态冰的存在（Demontis et al., PRL 1988）。在超离子态冰中, 质子发生快速扩散，表现出液态特征，而氧离子固定在晶格上振动表现出固态特征，因此超离子态也被认为是介于固态和液态之间的一种物质状态，表现出有别于普通固体的性质。2019年Marius Millot等人用激光束轰击水滴, 成功在实验上首次观察到了具有面心立方结构的超离子态冰18 (ice XVIII, Millot et al., Nature 2019)。由于无序且快速扩散的质子增加了体系的熵值，使得其熔点增加，从而热稳定性高于其他冰晶结构。超离子态冰被认为存在于天王星和海王星内部，而其较高的离子电导率可能对上述行星的磁场产生影响，因此超离子态冰已经在理论和实验上得到了广泛研究，然而对于超离子态冰的弹性性质，特别是超离子态相变对其弹性性质的影响此前还未见任何报道。

    本工作中，中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压院重点实验室李和平研究员课题组博士生孙士川和何宇副研究员（院青促会会员）与北京高压科学中心Duck Young Kim研究员合作，对超离子态冰进行了第一性原理分子动力学理论计算研究。分析研究了超离子态ice X（200 GPa, 500-2000 K）和ice XVIII (200 GPa, 2000-4500 K)的弹性、扩散、质子电导率和热稳定性等性质。该项研究发现：质子在超离子态ice X 和超离子态 ice XVIII 中展现出了不同的行为，在 ice X 中，质子轨迹仍然保持着长程有序性，同时弹性常数如普通固体随着温度的升高而衰减。而在超离子态 ice XVIII 中离域无序的质子导致了 ice X 到 ice XVIII 相转变过程中明显的弹性软化。不同于普通固体，在2000-3000 K升温过程中（图1所示），ice XVIII的弹性性质发生了随温度增加而强化的异常现象，从而导致了弹性各向异性和声波速度的变化。而高温高压下超离子态冰中质子的快速扩散所产生的额外熵值可能是导致该弹性强化现象的原因。这项工作表明，在超离子态冰中类似液体的快速扩散质子对其弹性和声速有着明显的影响，它增进了我们对高温高压下冰的性质的理解，进而可以帮助我们更好的去认识冰巨星内部结构。

该成果得到了中国科学院先导专项 (XDB 18010401)、国家自然科学基金项目 (41774101)、中国科学院青年创新促进会专项基金项目 (2020394) 的资助。

该研究，2020年最新发表：Shichuan Sun, Yu He*, Duck Young Kim, Li Heping*. Anomalous elastic properties of superionic ice. Physical Review B, 2020, 102, 104108.

(原文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.104108)。孙士川为文章第一作者，李和平研究员与何宇副研究员（院青促会会员）为文章共同通讯作者。