它是固態和液態的，比普通的水冰密度高60倍，溫度幾乎和太陽表面一樣熱。

來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們使用巨型鐳射將水快速凍結到它奇特的超電子相中，並記錄下x射線衍射圖，首次確定了它的原子結構——這一切都發生在十億分之一秒之內。這些發現成果發表在2019年5月1日的《自然》上。1988年科學家們首次預測，水將轉變為一種奇特的物質狀態，其特徵是：在富含水的巨大行星(如天王星和海王星)內部，當遇到極端的壓力和溫度時，就會出現固態的氧晶格和液態的氫超離子冰共存。

這些預測一直持續到2018年，當時由LLNL的科學家領導一個團隊提出了這種奇怪水狀態的第一個實驗證據。現在LLNL的科學家們公佈了新研究結果，利用鐳射驅動的衝擊波和原位x射線衍射，在十億分之一秒內觀察到氧晶格的成核，首次揭示了超離子冰的微觀結構，這些資料還提供了對冰巨行星內部結構的進一步瞭解。LLNL物理學家費代麗卡·科帕裡(Federica Coppari)說：我們想確定超聲速水的原子結構。

在下面這張鐳射壓縮實驗的藝術化渲染圖中，大功率鐳射聚焦在鑽石表面，產生一系列衝擊波，從左到右傳播到整個樣品元件，同時壓縮和加熱最初的液態水樣品，迫使它凍結成超離子水冰相。

超離子冰

我們熟悉的冰都是無色透明的純淨固體，但在極端溫度、壓力條件下，冰可以呈現出全然不同的面貌。30多年前，就有物理學家預言，水能夠以一種獨特的超離子冰晶存在。最近，在一項發表於《自然》的論文中，這一猜測終於得到了證實：這種溫度高達兩三千攝氏度的黑色“超離子冰”不僅存在，還可能是太陽系中含量最高的水的形態之一。

在羅切斯特大學的鐳射力學能實驗室，科學家用世界上最強大的鐳射之一對準了一滴水。鐳射發射，形成的衝擊波讓水滴的壓力達到了大氣壓的數百萬倍，溫度也升高升至幾千攝氏度。X射線瞬間穿越水滴，讓人類目睹到一幅前所未見的畫面。

透過X射線，科學家了發現，水在這種極端條件下呈現出全新的形態！衝擊波裡的水並沒有成為過熱液體或氣體，而是凝固、結晶成冰。研究證實了具有奇異性質的水的新相位——“超離子冰”（superionic ice）的存在。不同於我們見過的冰，超離子冰是黑色的、溫度相當於太陽表面溫度的一半，密度也是普通冰的4倍。

研究成果發表在近期的《自然》上，加州勞倫斯利福摩爾國家實驗室的馬裡厄斯·米約（Marius Millot）與費德麗卡·科帕裡（Federica Coppari）合作領導了這項試驗。

早在30多年前，就有物理學家提出超離子冰的概念。雖然直到現在才現出原形，但科學家認為這也許是宇宙中含量最豐富的水的形態之一。至少，超離子冰可能在太陽系中廣泛存在，它們在天王星和海王星的內部含量豐富，比地球、木衛二和土衛二的海洋中的液態水還要多。超離子冰的發現揭開了存在數十年的冰巨星成分之謎。並且超離子冰的發現也證實了此前計算機的預測，可以幫助材料學家創造出具有特定性質的未來材料。

目前這個發現還處於科學的論證階段，按照推論這個發現可能會極大地影響我們對內部結構的理解，以及對這些冰冷巨行星及其眾多太陽系外表親的演化進行研究。

LLNL的物理學家和合著者之一馬利尤斯·米洛(Marius Millot)說：我們設計的實驗是為了壓縮水，使其凍結成固態冰，但不確定冰晶是否真的會在十億分之一秒內形成和生長。記錄了結晶過程並確認了原子結構，研究小組用16個額外的鐳射脈衝炸了一個小鐵箔，形成了一個熱等離子體，產生了精確定時的閃光，照亮了被壓縮的水樣本，這些水樣本一旦進入超離子冰的預測穩定區域。測量的x射線衍射圖是緻密冰晶在超快衝擊波壓縮過程中形成的一個明確特徵，這表明固態冰從液態水成核的速度足以在實驗的納秒級觀察到。

（圖示）在這張x射線衍射實驗的時間合成照片中，巨大鐳射聚焦在水樣上，放在用來記錄衍射圖樣的診斷儀器的前板上，將水樣壓縮成優勢相。額外的鐳射束會從鐵箔上產生x射線閃光，這使得研究人員能夠對壓縮/熱水層進行快照，診斷監視鐳射脈衝的時間歷史和發出的x射線源亮度。

計算機模擬已經為超級冰提出了許多不同的可能的晶體結構，研究為數值方法提供了一個關鍵的測試。該團隊的資料對冰巨行的內部結構有著深遠影響，由於超級冰最終是固態的，所以認為這些行星具有均勻快速對流流體層的觀點不再成立。因為天王星和海王星內部的水冰有一個晶格，所以超離子冰不應該像地球外核那樣流動。相反，最好的設想是，超級冰的流動將與地幔相似，地幔由固體岩石構成，但在非常長的地質時間尺度上流動並支援大規模對流運動。這可能會極大地影響我們對內部結構的理解，以及對這些冰冷巨行星及其眾多太陽系外表親的演化。