Meski kelihatannya tenang dari luar, keadaan di dalam raksasa es seperti Uranus dan Neptunus itu super kacau.

Tekanan yang jutaan kali lebih besar dari permukaan laut Bumi, dikombinasikan dengan suhu ribuan derajat, menciptakan material yang super aneh.

Sekarang, sebuah penelitian terbaru dari Carnegie Institution yang dipublikasikan di Nature Communications, mengungkap sebuah wujud materi yang sepenuhnya baru yang mungkin ada di lingkungan ekstrem ini—fase “superionik kuasi-1D”.

Para ilmuwan sudah lama tahu kalau planet-planet es ini nggak terbuat dari “es” biasa seperti yang kita kenal di Bumi. Alih-alih, mereka terdiri dari campuran lembek (slurry) air, amonia, dan metana yang panas dan padat.

Tapi, membuat ulang kondisi yang bisa menghasilkan campuran itu di laboratorium nyaris mustahil. Butuh tekanan terapaskal yang bisa melelehkan hampir semua wadah pada suhu tinggi.

Biasanya, para peneliti menggunakan simulasi untuk mengatasi masalah ini—secara khusus simulasi yang dikenal sebagai “Uranus Sintetis” yang meniru lingkungan planet ketujuh dari Matahari tersebut, termasuk tekanan dan panasnya.

Dari studi kimia sebelumnya, kita sudah tahu bahwa molekul konvensional seperti metana nggak bisa bertahan dalam bentuk aslinya. Metana akan terpecah pada tekanan sekitar 95 gigapaskal, menciptakan material kaya hidrogen bersama alotrop karbon seperti berlian.

Namun, gaya simulasi itu juga punya kelemahan, dan simulasi tersebut bisa rusak pada tekanan yang lebih tinggi.

Untuk mengatasi masalah itu, penelitian ini menggunakan pendekatan berbasis prinsip pertama (first-principles), membiarkan mekanika kuantum dari sistem tersebut membangun seluruh lingkungan—setidaknya sejauh mekanika kuantum bisa dimodelkan.

Menurut metode simulasi ini, pada tekanan di atas 1100 GPa, karbon dan hidrogen membentuk senyawa yang stabil, tapi dengan struktur yang sangat tidak biasa.

Pada tekanan tersebut, atom karbon terkunci dalam kisi padat yang kaku berbentuk heliks kiral—pada dasarnya seperti tangga spiral mikroskopis yang berputar.

Tapi bagian paling menarik terjadi saat panas ditambahkan. Biasanya, menambahkan panas akan mengubah struktur kisi ini menjadi cair, memungkinkan atom bergerak bebas.

Namun, di beberapa material lain seperti air, peningkatan panas menyebabkan satu set atom (dalam kasus air, oksigen) tetap berada dalam padatan kristal sementara atom lainnya (hidrogen) mulai mengalir dengan bebas. Ini yang dikenal sebagai keadaan “superionik”.

Di suhu antara 1000 hingga 3000 Kelvin, senyawa CH baru ini memasuki keadaan superionik, tapi dengan sedikit twist. Alih-alih oksigen yang membentuk struktur kristal seperti pada air, kisi kristal ini terbentuk dari atom karbon.

Atom hidrogen, meski dibatasi oleh kisi karbon, menunjukkan difusi superionik sepanjang “tangga” heliks (sumbu-z) yang dikombinasikan dengan gerakan rotasi di bidang melintang (sumbu-xy).

Atom hidrogen itu bisa mengalir dengan mudah naik atau turun tangga, tapi ke arah lain mereka sepertinya lebih sering berputar daripada berpindah tempat.

Gerakan satu arah ini dengan rotasi dua dimensi membuat para peneliti mengkategorikannya sebagai tipe hibrida dari “dimensi difusional”—keadaan superionik kuasi-1D pertama di dunia.

Semua teori itu keren, tapi apa artinya dalam praktiknya? Dampak paling terasa adalah sifat material ini menjadi anisotropik—artinya sifatnya berbeda tergantung dari arah mana kamu mengukurnya.

Misalnya, material ini sepertinya menghantarkan panas dan listrik dengan sangat baik di sumbu “tangga”, tapi tidak untuk dua sumbu lainnya. Juga, meskipun punya atom hidrogen yang bergerak (yang bermuatan positif), konduktivitas listriknya tampaknya masih didominasi oleh pergerakan elektron.

Baca Juga: Ilmuwan Temukan Keadaan Kuantum Materi Baru yang Dulu Dianggap Mustahil

Di skala makro, hal ini membantu mendukung teori tentang mengapa medan magnet Neptunus dan Uranus itu sangat aneh. Model konvensional menjelaskan medan magnet mereka yang miring dengan asumsi bahwa es superionik yang panas menghantarkan panas dan listrik dengan sama baiknya ke segala arah.

Tapi dengan adanya fase superionik kuasi-1D baru ini, asumsi itu dipertanyakan, dan bisa jadi lebih cocok dengan data eksperimen yang kita dapatkan dari planet-planet itu sendiri.

Jelas, material karbon-hidrogen dasar adalah penyederhanaan besar dari dinamika kimia dan termal yang kompleks di inti dunia-dunia tersebut.

Tapi fakta bahwa kita bahkan punya kesempatan untuk memodelkan dan memahami bagaimana beberapa material ini bekerja di dunia nyata menunjukkan bahwa masih banyak hal yang bisa diajarkan oleh ilmu keplanetan kepada kita tentang cara kerja alam semesta.

Artikel ini awalnya dipublikasikan oleh Universe Today. Baca artikel aslinya.