氦是自然界中最惰性的元素，通常很难与其它物质发生化学反应，然而在高压下它的化学活性会发生显著变化。
近日，来自*京大南**学物理学院和南京微结构协同创新中心的孙建教授课题组，与英国剑桥大学、爱丁堡大学和美国加州州立大学北岭分校的研究人员通力合作，利用晶体结构搜索和第一性原理计算等方法预言了氦和氨在高压下可形成多种稳定化合物，并发现这类化合物在高温高压极端条件下会出现介于固体和液体之间的特殊物态——塑晶态和超离子态。
近年来，对天王星和海王星这类天体内部物态演化研究是当前人类探索未知天体的重要研究方向。
在目前的行星模型中，天王星和海王星的大气主要由氢气和氦气组成，而在大气层和核之间，星体大部分的体积充斥着由水、氨和甲烷等物质构成的积冰层。另一方面，虽然氦是自然界中最惰性的元素，通常很难与其它物质发生化学反应，但近年来的研究表明，在高压下，氦的化学性质会发生显著变化，可以跟某些物质形成化合物。
既然天王星和海王星大气中充斥着大量氦气，它是否可以和氨等行星物质发生反应并且对积冰层中的物态演化有何影响，目前还是人类认知的空白。
氦-氨化合物的稳定性和晶体结构
基于这样的背景，孙建教授课题组用自行开发的基于机器学习加速的晶体结构搜索方法和第一性原理计算，对氦和氨在高压下的化合物，以及他们在高温高压下的物态进行了系统研究，得到了一系列令人惊奇的理论结果。
他们预言，在0 到 500 GPa的高压下，氦和氦气可以发生反应并形成多种稳定的化合物（见图一）。所有结构可以分为两类，第一种是He2NH3和HeNH3趋向于形成类似钙钛矿的结构，其中每个氮原子由三个共价键和三个氢键连接形成扭曲的八面体，氦原子分布在八面体空隙中。第二种是He2NH3趋向于形成由四元-八元环构成的主客体结构，其中氮原子构成四元-八元环，氦原子位于八元环的中心。
图1：氦-氨化合物的能量稳定性和晶体结构。
氦-氨化合物在高温高压下的熔化和动力学行为
随后，他们用第一性原理分子动力学详细研究了氦-氨化合物在高温高压下的动力学行为，发现了非常有意思的结果。他们发现，在较低温度下所有化合物保持着固态晶格（所有原子的扩散系数接近于零，在格点上轻微震动），但是在高温下氦氨化合物会产生新奇的物质状态。
如图2所示，在低压（约10-40 GPa）下，当温度在500-1000 K时，氨分子中的氢原子围绕着氮原子自由地绕转，这是明显的塑晶态（plastic state）；而在高压（约100-500GPa）下，当温度在1000-4000K左右时，氢原子可以自由地穿行在氦原子和氮原子所构成的固态子晶格结构中，这是明显的超离子态（superionic state）。
图2：在HeNH3O晶体中氮原子（蓝色），氦原子（青色）和氢原子（红色到白色渐变）的运动行为。为了方便展示，超离子态（superionic）和塑晶态（plastic）中氢原子的轨迹同时置于氮氦原子固态网格中。时间刻度由红色（初始）到白色（结束）标记。
压强-温度相图
基于不同物质状态，他们构建了完整的氦氨化合物的压强-温度相图（如图3）。在较低压强下（图3b），在介于固相和液相之间，氦氨化合物存在很大的塑晶态区域（绿色），而在高压下，超离子态则占据了主要的压强温度区域（黄色）。
相比于纯氨的超离子态区域（白色虚线部分），引入氦气扩大了超离子态区域，特别是在200 GPa以上，并且非常接近了天王星和海王星内部的压强温度条件。这说明氦的插入将极大地增加了超离子态氨出现的可能性。
图3：理论预言的氦氨化合物的温度压强相图。不同的标志代表不同的物态，蓝色正方形表示固体，深绿色棱形表示塑晶态，青色三角形表示超离子态，黄色圆形表示液态。白色虚线表示纯氨中的超离子态区域，绿色和蓝色实线分别表示天王星和海王星的等焓线。
这项工作发现了新的氦-氨化合物，并且发现氦-氨化合物在高温高压下的多种奇特的运动状态。他们的这个发现将为人们重新认识氦在高压下的物理化学性质，固体的熔化过程和新物态，以及天王星和海王星这类天体的结构演化提供重要的理论参考。
“日常人们比较熟悉的物态就是固体、液体、气体，但是某些体系在一定的温度和压力条件下会出现。一些特殊的状态，就比如我们论文中所提到的塑晶态和超离子态。”孙建教授在接受众创网采访时表示，在塑晶态中，一些分子会发生转动而不向外扩散。而在超离子态中，部分原子只在晶格格点附近振动，表现为固体行为，而另一部分原子则可以向液体一样自由地扩散。这些特殊物态的发现对于人们拓展对物态和相图的理解显然是有重要意义的。
作为一项基础研究，孙建课题组的发现将为进一步研究氦的化合物，固体熔化过程和新物态，以及行星内部结构等多个方面提供重要的理论参考。孙建教授同时表示，“虽然对我们日常生活没有实际的应用价值，但塑晶态和超离子态其实是有一定的应用背景的。”
例如，塑晶态会导致物体有比较大的熵变，有文献报道，有些具有塑晶态的分子晶体有可能可以被用作固体制冷剂。
此外，固态锂电池就是典型的超离子态，因为锂电池中有部分固体框架原子是固定不动的，而锂离子却可以像液体一样自由地扩散。又比如，在某些铜基的热电材料中，也会出现类似超离子态的现象。