行星物质的结构及其动力学演化过程是我们在认识宇宙过程当中所面临的最基本问题之一。根据现有的行星模型,天王星和海王星这类巨行星的大气由氢气和氦气组成,而其内核很小,主要由岩石构成。在岩石内核和大气层之间,则覆盖着厚厚的积冰层,主要由56%的水,36%的甲烷,以及8%的氨气构成。另一方面,氦是自然界中最为惰性的元素,常压下通常被认为不会与其它物质发生化合反应。然而沿着天王星和海王星的等熵线,热冰层内的压强可以从20 GPa（相当于2×105个大气压）上升到600 GPa,温度也从2000 K上升到7000 K。在这样的极端条件下,氦的反应活性可能会大大提高。所以,研究在天王星和海王星内部极端条件下,行星大气中的氦是否会和热冰层中的水、氨、甲烷等物质发生化合反应,以及所形成的化合物是什么样的结构和状态,是非常有意义的研究课题。另外,在更加内部的岩石核心区域,研究岩石成分的物质结构及其热力学演化对于揭示巨行星的早期原因也具有重要意义。本文基于我们课题组自主开发的机器学习加速晶体结构搜索方法和第一性原理计算,系统地研究了氦-水、氦-氨、以及硅-氧等体系的相图,并通过分子动力学模拟和准谐近似计算,研究了这些化合物在高温高压下的稳定性及其动力学演化行为。获得了以下创新性研究成果:1.氦-水化合物。我们发现氦气和水可以在一个很大的压强范围内形成稳定的化合物。令人惊奇的是,我们还发现这些化合物在高压下,随着温度的升高具有特殊的熔化行为,可以形成两种介于固态和液态之间的超离子态。在第一种超离子态中,氢和氧都在其平衡位置附近振动,呈现固体行为,而氦原子则可以像液体一样自由扩散。在第二种超离子态中,只有氧呈现固体行为,而氦原子和氢原子都可以自由扩散。尽管氦原子的质量比氢原子大,但由于氦-氧相互作用比氢-氧相互作用弱,在这些超离子态中的氦原子比氢原子具有更大的扩散系数和更低的”熔化”温度。而且,与纯冰相比,氦原子的嵌入大大降低了超离子态的形成压强。2.氦-氨化合物。我们发现氦和氨可以在接近0 GPa到500 GPa压强范围内会形成三种不同配比的化合物,包括八种稳定的晶体结构。在这些氦氨化合物化合物中,HeNH3和He2NH3两种配比的化合物都具有类似于钙钛矿结构,而所有的He（NH3）2化合物都呈现主客体结构。在高温高压下,氦氨化合物不但可以形成与氦水化合物类似的超离子态,还能形成一种塑晶态。在这种塑晶态中,氢原子可以绕着氮原子旋转,但又不向外扩散。而且,在氦氨化合物和氦水化合物中,氦原子的行为有很大的差别。如前面所说,氦水化合物相图中会出现一个很大范围的氦的扩散态,而这样的状态在氦氨化合物的相图中却几乎不存在。我们发现,其原因是氦氨化合物中的氢键密度比氦水化合物中要更高,而且由于晶格结构的原因,氦氨化合物中的氢键形成了一个笼型的结构把氦原子束缚住;而在氦水化合物中,水原子形成了一个六角形的通道,氦原子可以在通道中比较自由地扩散。3.硅-氧化合物。我们预言了在645 GPa到890 GPa压强范围内,二氧化硅会形成具有Rˉ3对称性的新结构。在这种结构中,硅原子具有6、8和9三种不同配位数,其平均配位数为8。这是一种人们在二氧化硅体系中长期寻找而又从未找到的混合配位稳定相,它正好填充了之前已知的6配位的Pyrite型和9配位的Fe2P型之间的密度、电子能隙和配位数这些数值间的间隙。这个Rˉ3二氧化硅在海王星等太阳系巨行星的核心区域比已知的Cotunnite型二氧化硅更稳定,甚至可能稳定存在于超级地球的核心或地幔中。此外,我们还发现在富氧的高压环境中,硅和氧可形成一些超氧化物,如Cmcm Si O3和Ccce Si O6。上述关于氦水、氦氨化合物的研究,预言了天王星和海王星大气中的氦可能深入到积冰层的内部,与积冰层中的水和氨形成新的化合物。并且揭示了这些化合物在行星内部高温高压条件下可能会呈现介于固体和液体之间的特殊物态,即超离子态和塑晶态。这些结果揭示出常压下非常惰性的氦在高压下可与其它物质反应,而且对于理解天王星海王星的磁场,以及构建更加可靠的行星模型等方面具有重要价值。而我们关于二氧化硅的研究,首次发现了混合配位的稳定相,极大地丰富了硅氧化物的高压相图。这些创新成果,极大地丰富了我们对行星物质的认识,对深入理解太阳系和系外巨行星的内部结构,探索未知世界具有重要的科学意义。