破解地球深处的秘密：铁在行星形成中的量子作用

在像地球这样的岩质行星深处，铁的行为会极大地影响熔岩材料的特性：这些特性影响着地球的形成和演化过程。科学家利用强大的激光和超快 X 射线重现了这些被称为硅酸盐熔体的熔岩材料中的极端条件，并测量了铁的特性。资料来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室

这些特性在地球的形成和演化过程中发挥了至关重要的作用。我们星球的进化可能在很大程度上是由铁原子的微观量子态驱动的。铁的"自旋态"是其电子的量子特性，会影响其磁性行为和化学反应性。自旋态的变化会影响铁的熔融或固体形态及其导电性。

迄今为止，要在这些被称为硅酸盐熔体的熔岩材料中重现极端条件来测量铁的自旋态一直是个挑战。美国能源部 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学、格勒诺布尔阿尔卑斯大学、强激光利用实验室（LULI）和亚利桑那州立大学的一个国际研究小组利用强大的激光和超快 X 射线克服了这一挑战。他们发现，在极高的压力和温度下，硅酸盐熔体中的铁大多处于低自旋状态，这意味着其电子更靠近中心，并在其能级中配对，从而使铁的磁性更弱、更稳定。

发表在《科学进展》（Science Advances）上的这一结果支持了这样一种观点，即某些类型的熔岩可能在地球和其他岩质行星深处很稳定，有可能在磁场的形成过程中起到作用。这项研究对了解地球的演化、解读地震信号，甚至系外行星的研究都有潜在的影响。

合作者、亚利桑那州立大学研究员丹-希姆（Dan Shim）说："就探索地球历史而言，我们正在研究 40 多亿年前发生的过程。研究地球历史的唯一方法是使用以飞秒为单位的现代技术。这些巨大的时间尺度之间的对比既雄辩又令人震惊：这类似于时间机器的概念。"

小行星轰击和岩浆海洋

大约 43 亿至 45 亿年前，早期地球经历了强烈的撞击，被大如城市的小行星撞击。这些撞击产生了大量的热量，可能完全融化了地球的外层，形成了一个深邃的熔岩海洋。

"合作者、SLAC 科学家阿里安娜-格里森（Arianna Gleason）说："有理论认为，在这些撞击的巨大压力下，熔岩的密度可能会超过固体岩石。这种密度更大的岩浆会向地核下沉，从而捕捉到那个时代的化学特征。一些人认为，这种岩浆层的残余物今天可能仍然存在，蕴藏着45亿年前的线索。夏威夷等地的火山可能正在释放这些古老的化学特征，让我们得以一窥地球遥远的过去。"

在浅层，熔岩比固态时的相同物质占据更多空间。但随着深度的增加和压力的增大，这种差异就会减小。铁的成分，尤其是其自旋状态，在决定这些性质方面起着重要作用。之前的研究显示，在类似条件下，铁的自旋态结果不一：一些研究发现，在高压下，铁的自旋态发生了快速变化，而另一些研究则发现铁的自旋态发生了更缓慢、更渐进的变化。

这项新研究首次直接观察了铁在极端条件下在真实熔岩中的行为。

Shim说："虽然我们可以从岩石和化石的研究中获得很多信息，但地球早期历史的某些方面已经失传，因为当时的记录很少。这就是这项研究的独特之处。地球的形成是一个动荡的过程，涉及强烈的撞击，并形成了一个全球性的熔岩层。熔岩层中的压力是巨大的。我们通过实验室实验模拟当时的条件来研究这一点。"

在位于SLAC的里纳相干光源（LCLS）的"极端条件下的物质"（MEC）实验箱中，研究小组用强大的激光对样品进行爆破，在纳秒级的时间内将固体物质转化为硅酸盐熔体，从而重现了地球早期岩浆海洋中的极端压力。然后，科学家们利用来自 LCLS 的飞秒 X 射线脉冲研究了铁等元素在这些极端条件下的电子结构，深入了解了电子构型在不同条件下如何变化，并揭示了熔融岩浆在特定条件下确实变得比固体更致密。

格里森说："通过了解地球的内部动力学，我们可以完善构造运动和其他地质现象的模型。此外，由于地球各层相互关联，这些发现对气候科学也有影响。"

了解我们的星球

在这项研究中，研究小组主要关注低铁含量的熔体。但当物质向地球中心倾泻时，理论上会吸收更多的铁，使其密度增大。为了跟进研究，研究小组计划研究含铁量更高的熔体。他们还希望对含有一些水的熔体进行实验，进一步了解地球的水循环和气候。

这项研究还可以揭示地球地幔深处的特殊地震速度。几十年来，这些异常现象一直困扰着科学家。一些理论认为，这些区域可能是 45 亿年前岩浆的残留物，而另一些理论则认为，它们是构造板块沉入地球内部，扩散低熔点物质的结果。通过使用地震成像技术对不同的假设进行比较，研究小组旨在确定这些区域的起源，并区分古代和近代物质。

"随着技术的进步，我们正站在解决从矿物学到气候科学等重大挑战的最前沿，将各个研究领域联系在一起，"SLAC 科学家和合作者罗伯托-阿隆索-莫里（Roberto Alonso-Mori）说。"我们能够收集到的大量信息改变了我们的能力。它改变了游戏规则。与这样一个多元化的团队一起开发新技术并将其应用于解决紧迫的问题，是一件令人振奋的事情。"