地化所Nature：地球内核超离子态物质新发现
超离子态介于固态和液态之间，在超离子态物质中一部分离子如液体一般快速运动，而另一部分离子如“骨架”一般固定在物质结构中。1988年人们就预测冰在高温高压下会转变成超离子态。超离子态冰电导率接近金属，可能存在于天王星和海王星内部并对其磁场产生影响。超离子态特殊的性质引起了地球和行星科学的关注。
中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压院重点实验室李和平研究员课题组理论计算团队，从2015年开始便开展了地球内部矿物离子输运性质的研究，利用高温高压第一性原理分子动力学模拟了钾长石高压相（Libermanite）中的K+输运性质，发现K+的扩散可以使得该矿物电导率显著提高，可能解释上地幔转换带的高导异常现象（He et al., 2016 GRL）。该团队还和北京高压科学研究中心合作，研究了含水矿物高压相（Py-FeO2H）的超离子态转变，超离子态下含水矿物的电导率可以显著提升，有助于认知下地幔水的循环过程，相关研究于2021年发表于Nature Geosicence（Hou et al.,2021 NG）。在对含水橄榄石的导电机理进行了研究中，发现高温下的热解离效应，解离后的质子可以在晶格中快速扩散，从而提高了含水橄榄石的电导率，该研究有助于澄清含水橄榄石的导电机理。（He et al.,2021 JGR）。关于含水矿物中质子输运的研究对于认知地球内部水循环至关重要。在最近的研究中，该团队开展了超离子态物质弹性性质和地震波速的研究，他们改进计算方法，实现了对于超离子态体系的弹性性质的计算模拟，模拟结果与实验结果一致（He et al.,2021 PRB），并报道了冰的超离子态转变可以导致特殊的结构变化和弹性软化现象（Sun et al.,2020 PRB）。
近期，地化所高压室李和平研究员、何宇研究员、孙士川团队与北京高压科学中心的毛河光院士，Duck Young Kim研究员和Bo Gyu Jang博士团队合作，在地球核心的温度和压力下，对多种铁合金的性质进行了计算模拟。发现六方相（hcp）Fe-H，Fe-C和Fe-O合金在内核温压下转变成为了超离子态，该研究以“Superionic hcp-Fe alloys and their seismic velocities in Earth’s inner core”为题于2022年2月10日发表在Nature期刊（He et al., 2022 Nature）, 该研究表明地球内核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。
模拟发现，在地核温压下，Fe-H，Fe-C和Fe-O合金转变成了超离子态，在超离子态合金中，C、H、O离子在铁合金的间隙中快速扩散，表现出流体的特征。针对计算模拟中容易获得过热态，即计算模型在熔点之上仍然保持固态，作者利用固-液共存法对上述合金的熔点进行了约束，获得了固态-超离子态-液态转变相图（图1），证实了超离子态合金在内核温压下的稳定性。在内核温度下，轻元素离子在超离子态铁合金中的扩散系数与其在铁熔体中相当，表明轻元素的扩散性质在内外核并没有显著改变，因而轻元素的对流可能在内核中广泛存在。
研究发现，超离子态转变导致合金的加速软化，引起地震波速显著降低，其数值能够与地震学的观测结果很好符合（图2）。模拟结果表明，流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化，特别是横波波速的降低解释了长期存在的内核软化之谜。
地震学研究显示，内核结构展现出复杂的异质性和各向异性特征，还存在地震波衰减和结构变化等特性。解答上述未解之谜，是认知内核结构、组成和演化的关键。超离子态内核，更新了我们对内核状态的认知，流体一般运动的轻元素为认识内核对流，各向异性结构的形成和地震波的衰减提供了新的线索，将成为地球内核研究的新基石。
该团队相关工作得到了中国科学院先导专项（XDB 18010401）、国家自然科学基金项目（42074104, 41774101）、中国科学院青年创新促进会基金项目（20200394）的资助。
相关论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04361-x
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x
https://www.nature.com/articles/s41561-021-00696-2
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL069084
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.174105
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.104108
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JB022939
图1. 地核温压下FeH0.25、FeC0.0625、 FeO0.0625的固态-超离子态-液态相图
图2. FeH0.25、FeC0.0625、 FeO0.0625的超离子态结构的地震波速与地震学PREM模型进行对比
（高压室 何宇/供稿）