Глубоко в Земле содержится новый вид металла

Сокрушительное давление и интенсивные температуры глубоко внутри Земли сжимают атомы и электроны настолько близко, что они начинают взаимодействовать иначе.

Новые эксперименты и вычисления с помощью суперкомпьютеров установили, что оксид железа подвержен новому виду переходного состояния глубоко под землей.

Оксид железа (FeO) является компонентом второго по распространенности минерала в нижней мантии Земли — ферропериклаза.

Открытие, опубликованное в издании Physical Review Letters, способно изменить наше понимание динамики на глубине Земли и поведения защитного магнитного поля, которое защищает нашу планету от разрушительных космических лучей.

Ферропериклаз содержит магний и оксид железа. Подражая чрезвычайным условиям в лаборатории, ученые, включая соавтора Рональда Когена из геофизической лаборатории Карнеги, исследовали электропроводимость оксида железа в условиях давления, превышающего нормальное атмосферное в 1,4 млн раз, и температуры порядка 4000 градусов по Фаренгейту. Также был задействован новый вычислительный метод, использующий только фундаментальную физику, для моделирования сложных взаимодействий между электронами. Теория и эксперименты прогнозируют новый вид металлизации FeO.

Обычно компоненты подвергаются структурным, химическим, электронным и другим изменениям в таких условиях. Вопреки более ранним предположениям оксид железа из изолированного (неэлектропроводного) состояния при давлении в 690000 атмосфер и температуре 3000 градусов по Фаренгейту стал высокопроводящим металлом без изменений в структуре.

Предыдущие исследования предположили, что металлизация FeO связана с изменением его кристаллической структуры. Этот результат означает, что оксид железа может быть и изолятором, и металлом в зависимости от давления и температуры.

«При высокой температуре атомы в кристаллах оксида железа сформированы с той же структурой, что и обычная поваренная соль NaCl», пояснил Коген. «Точно как соль, FeO в обычных условиях — хороший изолятор, не проводящий электричество. Прежние измерения показали металлизацию FeO при высоких давлении и температуре, однако считалось, что меняется и кристаллическая структура. Но мы выяснили, что это не так, и кроме того, наша теория показала, что то, как электроны ведут себя в процессе металлизации, отличается от процесса металлизации других материалов».

Результаты подразумевают, что оксид железа в нижней мантии Земли является стабильно электропроводящим, считает Коген. Металлическое состояние увеличивает электромагнитное взаимодействие между жидким ядром и нижней мантией. Это имеет значение для магнитного поля планеты, производимого внешним ядром.

«Главное открытие заключается в том, что минерал в зависимости от того, где он расположен в пределах Земли, обладает различными свойствами», добавил в заключение руководитель Геофизической лаборатории доктор Рассел Хемли.

20.12.2011