揭开极端条件下液态铁的秘密

两种新的创新方法描述了如何在极高的压力和温度下测量液态铁的电阻率(例如行星核心中的电阻率)。在此之前，还没有对超过51GPa和2,900K的铁水电阻率进行过实验测量。这些发现将有助于为铁水令人费解的特性得出更好的理论模型。

铁是地球上质量最丰富的元素。尽管铁如此常见且经过充分研究，但它仍然表现出尚未完全理解的电和磁行为，从而让科学家们感到困惑。特别是，构成地球核心大部分的液态铁的物理性质一直是物理学家和地球科学家争论的焦点。

问题在于，由于确定液态铁特性所需的极端条件，因此很难通过实验验证它们的某些预测。例如，液态铁的电阻率(电导率的倒数)仅在51GPa压力和2,900K温度下进行测量。这是因为在当前的高压设备中保持铁样品的形状和化学成分完整具有挑战性。

在此背景下，包括东京工业大学KenjiOhta副教授在内的研究小组最近通过在极端实验条件下测量铁水的电性能取得了突破。正如他们在《物理评论快报》上发表的论文中所解释的那样，这要归功于他们开发的两种新技术。

这两种技术都涉及使用金刚石砧室(DAC)，通过将样品压缩在两个相对金刚石的平面之间，对样品施加难以置信的高压。在第一种技术中，研究人员使用蓝宝石胶囊将铁样品容纳在DAC中，同时使用激光和电流对其进行加热。“我们的想法是在熔化过程中保持铁样品的几何形状不变，并尽量减少样品内部的温差，”Ohta博士解释道。

第二种技术涉及一种完全不同的方法。研究人员没有通过封装来在熔化过程中保持样品的形状，而是使用强大的激光“立即”熔化铁。目标是在熔融样品有足够的时间改变其几何形状之前，快速同时测量毫秒分辨率的电阻、X射线衍射和熔融样品的温度。这一创新策略使团队能够分别在高达135GPa和6,680K的压力和温度下测量铁水的电阻率。

Ohta博士说：“我们的测量结果提供了实验限制的铁液电阻率，其压力比之前的实验高出两倍多。”

测量结果表明，铁水的电阻率随温度变化不大。此外，它很好地遵循了较高压力下的现有理论估计，包括50GPa左右的异常下降，这可能表明磁力逐渐转变。这一点很重要，因为铁水电阻率的理论预测和实验数据之间存在一些差异，特别是在压力低于50GPa的情况下。

因此，这项研究的结果将有助于澄清这些差异的根源，并帮助物理学家开发关于铁行为的更准确的模型和理论。反过来，这可能会导致对地球核心以及行星磁场等相关现象的更全面的了解。