热诱导 H$_4$O 超导体态离子磁矩

超导体冰中的氢离子可以自由移动，充当金属中电子的角色，其电磁行为是解释 Uranus 和 Neptune 异常磁场的关键。基于 ab initio 进化算法，我们在 500-5000 GPa 压力下搜索稳定的 H$_4$O 晶体结构，发现了一种新的层状链 $Pmn2_1$-H$_4$O 结构，含有 H$_3$ 离子簇。有趣的是，H$_3$ 离子簇在 900 K 以上旋转（在 900 K 时瞬时速度为 3000 m/s），产生瞬时磁矩 ($10^{-26}$ Am$^2 \approx 0.001 \mu_B$)。此外，在 960-1000 K 时，H 离子沿 H-O 原子层的垂直于 H-O 原子层的方向扩散。这是由于 H$_3$ 离子簇在 H-O 原子层内的氢氧共价键阻碍了 H$_3$ 离子簇在层内的扩散行为，导致 H$_3$ 离子簇在 H-O 原子层之间进行扩散，形成一种一维导电超导体态。离子的一维扩散可能产生磁场。我们将这两种类型的磁矩称为“热诱导离子磁矩”。当温度超过 1000 K 时，H 离子在三个方向扩散。当温度超过 6900 K 时，氧原子扩散，系统成为流体。这些发现为重新认识氢和氧在高压下的物理化学性质，以及 Uranus 和 Neptune 异常磁场的来源提供了重要参考。