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近日，我校物理学院原子与分子物理研究所张友君研究员与南京大学、中物院流体物理研究所以及德州大学奥斯汀分校等，在美国科学院院刊（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.）发表了题为“Collective motion in hcp-Fe at Earth’s inner core conditions”的研究论文。论文研究了地球组分铁在极端高温高压条件下的波速变化与微观动力学机制，揭示了固态内核剪切软化的物理机制，在深地科学与地球内部物理学领域取得了重要突破。

地球的中心主要由一个约1200千米半径的固态铁内核组成，虽然远离地表约5500千米以上，但对地球表面磁场的产生和热演化起到非常重要作用。构成地球固体内核的铁原子受到极高的压力（数百万大气压）并挤压在一起，是地球自然界中最高的压力，因此关于地核的状态、物性以及其对地球动力学演化的影响仍然还有很多未解之谜。其中，地震学家早在几十年前便观测到固态内核出奇的柔软，然而造成此现象的原因还不清楚，探寻这其中的奥秘和物理机制是本项研究中重要的动力之一。

图1. 四川大学原子与分子物理研究所二级轻气炮高速撞击可瞬时模拟地核温压

作者利用二级轻气炮将铁块加速到二十倍以上音速并撞击靶从而瞬时产生类似地球内核的温度和压力（图1）。实验中获得了温度、压力和波速等数据，发现在地核压力下，当温度接近熔融时，铁的剪切波速会急速地下降。然后将实验获得的参数用于高达三万原子数的超大晶胞机器学习计算进行理论模型，实现了更可靠地复现与预测铁在极端温压条件下的物理性质。最终，通过实验与理论共同结合在地球内核温压条件下厘清了铁的纵波、横波波速变化以及铁原子的动力学特征。研究发现在地球内核温压下组成内核的铁原子以六方密排结构排列；同时，某些方向的铁原子可以在保持铁的基础金属结构的同时快速地移动——这种运动被称为“原子集体运动”（图2）。由于这些铁原子移动得比我们想象的要多，弱化了其抵抗剪切的能力，最终使得深入地球内部的固体铁变得柔软，成功地解释了地震波观测到的超低剪切波速和超高泊松比自然现象。本研究在原子尺度上对内核活动的新洞察可以帮助未来研究内核如何产生与传递能量，以及它如何与外核的动力学相互关联而产生地磁场，以维持有利于地球生物宜居性的关键要素。

图2. 铁原子在地球内核温压下10皮秒内的移动模型

该研究成果于2023年10月2日发表于美国国家科学院院刊。四川大学原子与分子物理研究所为第一单位，张友君研究员为第一作者，主要合作者包括南京大学孙建教授和王勇博士、中物院李俊研究员、美国德州大学奥斯汀分校林俊孚教授等。本研究是课题组在同一领域继Phys. Rev. Lett. (125，078501，2020)、Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (119，e2119001119，2022)和Science (375, 146, 2022)上发文后的又一突破性研究成果。以上工作得到了国家自然科学基金委、四川省自然科学基金委以及四川大学青苗计划等支持。

张友君研究员课题组主要从事地球与行星的内部物理学以及极端条件物理学研究，在原子与分子物理研究所建立了动态高压实验平台并组建了冲击波物理与地球物理研究室。近年来以第一作者或通讯作者在Science, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., Phys. Rev. Lett., Sci. Bull., Earth Planet. Sci. Lett., Geophys. Res. Lett., Phys. Rev. B和J. Geophys. Res.等国际顶级或著名学术期刊发表论文40余篇。

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来源丨 物理学院

编辑丨 甘雨露

责编丨 王允保