对话南京大学孙建：超离子态揭秘冰巨星磁场来源，AI算法探究巨行星内部新奇物质

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第114期，对话南京大学物理学院和固体微结构物理国家重点实验室教授孙建。

️嘉宾简介：

孙建，南京大学物理学院和固体微结构物理国家重点实验室教授，博士生导师，国家基金委杰出青年基金项目、重大项目获得者。在高压物理、计算凝聚态物理、材料设计与模拟、行星深部物质等研究领域积累多年。发展了机器学习驱动的物质模拟新方法；预言了多个新材料，若干被实验证实；预言了若干系统在高温高压下的超离子态、塑晶态和协同扩散态等新奇物态。

️划重点：

1.二氧化硅和氧化镁等会在高压下和水形成稳定化合物，并在天王星、海王星内部高温高压条件下处于超离子态，这有可能是冰巨星磁场来源之一。

2.冰巨星石质核心和积冰层之间可能存在一层热导比较低的物质，从而阻碍巨行星内部的热量向外传输，导致行星表面温度偏低、亮度也低。

3.我们要利用AI发展一些新算法，提升科学探索的能力，我觉得应该鼓励使用而没必要有太多限制。

4.以量子力学和机器学习理论为先导，推动动静高压实验来验证理论预言，再把理论数据、实验数据和观测数据相结合，进一步提高行星模型的精度。

️出品 |搜狐科技

️作者 |周锦童

在太阳系的边缘，有两颗巨型行星始终蒙着神秘的面纱，那就是“躺着”公转的天王星和温度最低的海王星。

尽管最近科学家首次利用韦伯望远镜在海王星观测到了极光现象，也用哈勃望远镜发现了天王星自转比之前推测的慢28秒，但这“两兄弟”的内部结构始终是天文学家争论的焦点。

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对此，搜狐科技对话了南京大学物理学院和固体微结构物理国家重点实验室孙建教授。他的团队曾理论预言巨行星内部存在混合配位的二氧化硅高压相、一系列氦化合物、超离子态硅-氧-氢化合物以及超离子态氧化镁水合物等，为解释天王星和海王星的结构和磁场生成、提供了重要参考。

️硅-氧-氢、镁-氧-氢等化合物的超离子态有可能是冰巨星磁场来源之一

长期以来，由于观测数据有限，人们对天王星和海王星等巨行星内部物质存在很多争议，目前存在冰巨星和岩石巨星两类行星模型。

通常我们有两种方法观测巨行星，一是通过远程的光学和射电观测，二是发射探测器进行环绕探测。远程探测通常只能进行光学和光谱探测，获取到形状以及大气中的成分、元素等信息，由此来推测内部物质、刚度和粘滞系数等；发射探测器则用来探测大气、引力场和磁场等。

“我们目前不大可能钻到巨行星内部去做研究，只能通过外部数据去构建模型，然后再去理解它，在构建模型的过程中，根据内部成分的不同进行划分，岩石含量较多的模型就被称为岩石巨星，另一种重元素含量少，冰的含量多，就称为冰巨星。”孙建如是说。

“但不管是哪种模型都只能解释部分的数据，比如冰巨星模型可以解释天王星和海王星的磁场，但这种模型不能解释行星大气中的氕氘比例。而岩石巨星模型虽然可以解释氕氘比例，并且其冰岩比例与柯伊伯带天体相近，更容易解释行星的起源问题，但是缺少导电物质来解释行星磁场。”

在近几年的研究中，孙建团队曾预言巨行星内部存在氦化合物、金属性铝氧化物、超离子态硅-氧-氢化合物以及超离子态氧化镁水合物等，这些发现对理解巨行星的内部结构和物理特性又有什么重要意义呢？

对此，孙建表示：“冰巨星模型主要是三层结构，最上面一层是氢、氦气体，中间层主要是由水、氨、甲烷组成的积冰层，最里面是石质内核，我们早些年发现上层的氦气有可能钻到积冰层中与里面的物质发生反应，生成新的化合物。”

众所周知，氦在常温常压下是一种惰性气体，一般不与其他物质反应，但到了高压下就会发生变化。孙建团队通过基于量子力学的第一性原理计算发现在高压下氦是可以和水、甲烷或者氨反应形成稳定化合物的，而这些化合物在高温高压条件下还会形成特殊的新物态，比如超离子态、塑晶态等。

此外，在冰巨星的石质内核中，他们还发现了二氧化硅新型高压相，这也是前人没有想到的。“我们理论预言了一个二氧化硅新结构，其中硅原子处于混合配位的情形，从能量上计算，我们发现在645-890吉帕压强范围内，这种新型R-3结构的二氧化硅会成为最稳定的结构，比前人预言的高压相更稳定。”

“最重要的是这种高压相的稳定压强范围正好覆盖了海王星的核心压强范围，而且当系外行星的质量达到5倍到7倍地球质量的时候（这种行星也叫超级地球），其核幔边界的压强也正好覆盖我们预言的R-3相二氧化硅的稳定范围。这也预示着这种二氧化硅高压相可能在太阳系巨行星和系外行星的内部大量存在。”孙建如是说。

不仅如此，他们还发现在石质核心和积冰层边界处，水和二氧化硅会反应生成新的硅-氧-氢化合物，如果石质核心中有氧化镁，还会生成氧化镁水合物。二氧化硅和氧化镁是地球上地壳、地幔的最重要的成分，如果海王星、天王星的内部有石质核心的话，那么二氧化硅、氧化镁都应该大量存在。

而后孙建团队又发现这些二氧化硅和氧化镁的水合物在天王星、海王星内部的温压条件下处于超离子态，也就意味着其中部分元素呈现固体行为，而另一些元素又可以像液态一样到处扩散、流动，并且当质子流动起来后就会产生电流，有了电流的流动就会产生磁场。

因此，孙建团队预言硅-氧-氢、镁-氧-氢化合物的超离子态有可能是天王星、海王星这些巨行星磁场的来源之一，当然像超离子态冰等其他物质也可以产生磁场，前面那些物质只可能是其中来源之一。但这也说明能够产生磁场的物质可能比前人设想的要更多、分布得更深、更厚，会对磁场分布、演化，甚至行星模型造成影响。

另外，水一旦和二氧化硅、氧化镁反应之后，原先设想的石质核心与积冰层之间的清晰界面就可能不存在了，边界处会变模糊，反应后内核会膨胀，从而影响物质分布。目前国际上对冰巨星模型存在着清晰边界模型和模糊边界模型的争议，而这些发现支持了模糊边界模型。

️利用AI发展新算法，启发新型能源材料设计

研究又是如何为低亮度之谜提供新解释的呢？

“我们在算氧化镁水合物热导的时候，发现超离子态本身热导比较低，也就是说在核心和积冰层之间存在一层热导比较低的物质，有可能阻碍巨行星内部的热量向外传输，这样就可能导致行星表面温度比较低，表面温度低就意味着亮度低。”孙建解释道。

那么，巨行星内部超离子态化合物或导电物质与极光之间是否会有关联呢？

孙建表示：“巨行星的极光主要是由巨行星的磁场和行星大气电离层之间相互作用产生的，因为地球上的极光就是由于臭氧层和磁场之间的相互作用，我想巨行星可能也是比较类似的机制，我们所预言的这些行星内部物质对于理解行星磁场会有一定的帮助，对于理解极光也会有一定的帮助，但比较间接。”

上面也提到了超离子态介于固态和液态之间，是地球和行星科学研究中的新物态。那超离子态物质在巨行星内部的表现是否可能启发某些新型能源材料的设计？

对此，孙建表示：“这些都是紧密关联的，固态锂电池本身就是典型的超离子态，因为其聚合物框架是固态的，但锂离子可以像液体一样到处流动，我们可以用类似的方法对它进行研究，包括它的相变、扩散系数等。这对于理解新能源材料的实际应用都是有益的，包括我们所发展的研究方法也可以用来研究新型能源材料。”

谈到这，孙建还介绍了他们自主开发的一系列计算模拟新方法，包括机器学习与图论辅助的晶体结构搜索软件MAGUS、高精度机器学习力场HotPP以及合作开发的机器学习分子动力学模拟软件GPUMD。

“这三个工具对于我们开展研究工作都非常重要，我们开发的MAGUS程序搜索效率高，适用于复杂的多元素体系结构，计算范围也更大；当我们有了稳定的晶体结构后，就可以此为基础构建大体系，并用机器学习分子动力学方法GPUMD做动力学模拟，研究其热导，相变、熔化过程等。”

“我们合作开发的机器学习分子动力学软件GPUMD ，可以在单张显卡模拟上千万原子的体系，对于大体系的动力学模拟是非常有利的。”

孙建和团队的优势在于许多工具都是自主研发的，但他坦言也会有些焦虑，毕竟现在AI的能力越来越强，很多事情都可以交给AI进行处理，未来也许AI会发展的更强大。不过，孙建也觉得搞科研更多地是要发现、提出好的科学问题，好在AI目前还做不到。

“我觉得应该把AI当成的工具，比如文章的英文部分可以让AI帮助检查语法等等，我们做理论计算，很多本身就是AI驱动的，就是要利用AI发展一些新算法，提高工作效率并拓展我们的能力，我觉得应该鼓励使用而没必要有太多限制，当然对于通用人工智能可能也需要考虑科学伦理和安全方面的一些更深层次的因素。”

️未来会继续探究“氦雨”、“钻石雨”等物理效应

孙建一直从事和高压科学相关的研究工作，致力于用计算模拟的方法去研究高压科学中的有趣科学问题，高压科学是一门典型的交叉学科，与物理、化学、材料、地球和行星科学都是紧密相关的。

“地球内部和行星内部天然都具有高温高压的条件，几百年来大家对地球研究的已经比较多了，相较而言对巨行星内部物质的研究还比较少，我们就是想去研究一些人们以前没有想过的问题，不断突破人类认知边界。”

在孙建看来，研究巨行星内部物质并不只是好奇心的驱动，“现在我们国家正在推进新的行星探测计划，比如天问四就是要探测木星及其卫星，而探测目标的设定和探测数据的解读都需要我们先行做一些基础研究来支撑。”

谈及研究是否已经处于国际前列时，孙建谦虚地说：“我不敢说是领先，但至少是并跑的情况，我们的很多工作都发表在很重要的期刊上，也受到了国际同行的关注。”

像硅-氧-氢的工作，被评选为PRL的编辑推荐，也被美国物理学会的physics杂志焦点评论。法国著名的行星科学家Tristan Guillot教授也对我们的工作给予了很高的评价，他认为这些结果具有很重要的启示，将对行星内部的热传导等性质有重要影响，进而影响其结构、演化和磁场。美国科学院外籍院士Erio Tosatti也认为，行星模型可能需要加入出人意料的氦化合物。

孙建主要从微观、物质结构的角度提供一些理解，但巨行星很大，也包括许多宏观过程，从微观去推演宏观这之间可能还存在着一定的鸿沟。

“原来大家基于观测数据会去构建行星模型，现在我们想以基于量子力学和机器学习的理论预言为先导，去推动动静高压实验来验证理论预言，再把理论数据、实验数据和观测数据相结合，进一步提高行星模型的精度。”孙建向搜狐科技分享了一种新的科研范式。

当然，在这个研究领域还有许多问题有待解决，有些问题现在可以研究，但有些问题还不具备研究手段，比如木星、土星主要成分是氢和氦，行星内部的压强升高，温度也会升高，在不同温压条件下，原先混合的氢和氦是否会发生分离还存在争议。

氢和氦一旦分离之后，氢元素会往上“跑”，重一点的氦会往下“落”，这就会产生一种叫“氦雨”的现象。另外冰巨星内部还有甲烷等物质，在高压下也会分解并发生聚合，聚合后会产生金刚石，所以大家也想象在冰巨星内部可能会出现“钻石雨”，但是否会形成，以及它的形成过程还没完全搞清楚。

这些现象有什么样的物理效应，对磁场和行星演化过程有怎样的影响，都值得去探讨，这也是孙建未来努力的研究方向。