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Plastic and superionic helium-ammonia compounds under high pressure and high temperature
Physical Review X ( IF 12.5 ) Pub Date : Cong Liu, Hao Gao, Andreas Hermann, Yong Wang, Maosheng Miao, Chris J. Pickard, Richard J. Needs, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun
Physical Review X ( IF 12.5 ) Pub Date : Cong Liu, Hao Gao, Andreas Hermann, Yong Wang, Maosheng Miao, Chris J. Pickard, Richard J. Needs, Hui-Tian Wang, Dingyu Xing, and Jian Sun
Both helium and ammonia are main components of icy giant planets. While ammonia is very reactive, helium is the most inert element in the universe. It is of great interest whether ammonia and helium can react with each other under planetary conditions, and if so, what kinds of structures and states of matter can form. Here, using crystal structure prediction methods and first-principles calculations, we report 3 new stable stoichiometries and 8 new stable phases of He-NH3 compounds under pressures up to 500 GPa. These structures may exhibit perovskite-like structures for HeNH3 and He2NH3, and a host-guest crystal structure for He(NH3)2. Superionic states are found in all these He-NH3 compounds under high pressures and temperatures in which the hydrogen atoms are diffusive while the nitrogen and helium atoms remain fixed. Such dynamical behavior in helium-ammonia compounds is quite different from that in helium-water compounds, where weakly interacting helium is more diffusive than stronger bound hydrogen. The low-density host-guest phase of space group I4cm is found to be stable at very low pressures (about 3 GPa) and it enters into a plastic state, characterized by freely rotating ammonia molecules. The present results suggest that plastic or superionic helium-ammonia compounds may exist under planetary conditions, and helium contributes crucially to the exotic physics and chemistry observed under extreme conditions.
中文翻译:
高压和高温下的塑料和超离子氦氨化合物
氦和氨都是冰冷巨行星的主要成分。氨具有很强的反应性,而氦是宇宙中最惰性的元素。氨和氦能否在行星条件下相互反应,以及如果能形成什么样的结构和物质状态,将引起人们极大的兴趣。在这里,使用晶体结构预测方法和第一性原理计算,我们报道了在高达500 GPa的压力下He-NH3化合物的3种新的稳定化学计量比和8种新的稳定相。这些结构对于HeNH3和He2NH3可能表现出钙钛矿样结构,对于He(NH3)2则显示客体晶体结构。在高压和高温下所有这些He-NH3化合物中都发现超离子态,其中氢原子扩散,而氮和氦原子保持固定。氦-氨化合物中的这种动力学行为与氦-水化合物中的动力学行为有很大不同,在后者中,弱相互作用的氦比强结合氢更易扩散。发现空间群I4cm的低密度客体相在非常低的压力(约3 GPa)下是稳定的,并进入可塑性状态,其特征是自由旋转的氨分子。目前的结果表明,塑料或超离子氦氨化合物可能在行星条件下存在,并且氦对极端条件下观察到的奇异物理和化学至关重要。发现空间群I4cm的低密度客体相在非常低的压力(约3 GPa)下是稳定的,并进入可塑性状态,其特征是自由旋转的氨分子。目前的结果表明,塑料或超离子氦氨化合物可能在行星条件下存在,并且氦对极端条件下观察到的奇异物理和化学至关重要。发现空间群I4cm的低密度客体相在非常低的压力(约3 GPa)下是稳定的,并进入可塑性状态,其特征是自由旋转的氨分子。目前的结果表明,塑料或超离子氦氨化合物可能在行星条件下存在,并且氦对极端条件下观察到的奇异物理和化学至关重要。
更新日期:2020-03-10
中文翻译:
高压和高温下的塑料和超离子氦氨化合物
氦和氨都是冰冷巨行星的主要成分。氨具有很强的反应性,而氦是宇宙中最惰性的元素。氨和氦能否在行星条件下相互反应,以及如果能形成什么样的结构和物质状态,将引起人们极大的兴趣。在这里,使用晶体结构预测方法和第一性原理计算,我们报道了在高达500 GPa的压力下He-NH3化合物的3种新的稳定化学计量比和8种新的稳定相。这些结构对于HeNH3和He2NH3可能表现出钙钛矿样结构,对于He(NH3)2则显示客体晶体结构。在高压和高温下所有这些He-NH3化合物中都发现超离子态,其中氢原子扩散,而氮和氦原子保持固定。氦-氨化合物中的这种动力学行为与氦-水化合物中的动力学行为有很大不同,在后者中,弱相互作用的氦比强结合氢更易扩散。发现空间群I4cm的低密度客体相在非常低的压力(约3 GPa)下是稳定的,并进入可塑性状态,其特征是自由旋转的氨分子。目前的结果表明,塑料或超离子氦氨化合物可能在行星条件下存在,并且氦对极端条件下观察到的奇异物理和化学至关重要。发现空间群I4cm的低密度客体相在非常低的压力(约3 GPa)下是稳定的,并进入可塑性状态,其特征是自由旋转的氨分子。目前的结果表明,塑料或超离子氦氨化合物可能在行星条件下存在,并且氦对极端条件下观察到的奇异物理和化学至关重要。发现空间群I4cm的低密度客体相在非常低的压力(约3 GPa)下是稳定的,并进入可塑性状态,其特征是自由旋转的氨分子。目前的结果表明,塑料或超离子氦氨化合物可能在行星条件下存在,并且氦对极端条件下观察到的奇异物理和化学至关重要。