Физики только что синтезировали кристаллы материала, который, как мы думаем, находится в ядре Земли

Используя наковальню из алмаза, физики успешно сжали железо до той формы, которую, как мы думаем, оно имеет глубоко в центре Земли.

Он называется гексаферрум, или эпсилон-железо (ϵ-Fe), и он стабилен только при очень высоких давлениях. Ученые считают, что большая часть железа в ядре Земли принимает эту форму, и детальное понимание его свойств может помочь нам понять, почему структура самой центральной части нашей планеты, по-видимому, имеет направленные вариации текстуры — свойство, известное как анизотропия.

В этом стремлении понять ядро ​​Земли есть только одна проблема. Здесь, на поверхности, в хорошем режиме с относительно низким атмосферным давлением, трудно воспроизвести условия в ядре. Но мы можем создать условия высокого давления в течение коротких импульсов времени, используя алмазные наковальни и тепло.

«Здесь мы сообщаем о синтезе монокристаллов ϵ-Fe в ячейках с алмазными наковальнями и последующем измерении монокристаллического константы упругости этой фазы до 32 ГПа при 300 Кельвинах с неупругим рассеянием рентгеновских лучей», — пишут группа под руководством физика Аньес Деваэле из Университета Париж-Сакле во Франции.

Задача заключалась в преобразовании фаза атмосферного давления железа, называемая ферритом или альфа-железом. Обычно, когда к ферриту прикладывают высокое давление в попытке раздробить его на гексаферрум, он распадается на мельчайшие кристаллы, непригодные для детального анализа, что сводит на нет усилия по изучению его упругих свойств.

Так, Деваэле и др. ее коллеги подошли к проблеме поэтапно. Они поместили кристаллы феррита в алмазную наковальню в вакуумный нагреватель и увеличили давление до 7 гигапаскалей (что примерно в 70 000 раз превышает атмосферное давление на уровне моря) и температуру до 800 кельвинов (527 градусов по Цельсию, или 980 по Фаренгейту). /p>

Это привело к образованию промежуточной фазы железа, которая возникает при высоких температурах в атмосферных условиях, называемой аустенитом или гамма-железом. Структура аустенита отличается от структуры феррита, и кристаллы аустенита, полученные командой, гораздо более плавно превращались в фазу гексаферра при давлении от 15 до 33 гигапаскалей при температуре 300 Кельвинов.

Затем они использовали синхротронный луч на Европейский центр синхротронного излучения для исследования гексаферрума и анализа его свойств.

То, что мы знаем о земном ядре, в значительной степени реконструировано на основе сейсмических данных. Акустические волны, создаваемые планетарными толчками, по-разному распространяются через разные материалы; вот откуда мы знаем, что ядро ​​Земли многослойно, как челюсть.

Но для более детального понимания нам нужно знать, что на самом деле представляет собой материал в ядре и как он реагирует на акустические волны. Работа Деваэле и ее команды показала, что эластичность гексаферрума зависит от направления; волны распространяются быстрее вдоль одной конкретной оси.

Эта анизотропия сохраняется и при изменении давления, что говорит о том, что гексаферрум также ведет себя в среде внутреннего ядра с давлением до 360 гигапаскалей. Это согласуется с наблюдениями за тем, как сейсмические волны распространяются по планете.

Выводы показывают, что методы команды могут стать отличным инструментом для понимания экстремальных условий в центре нашего мира.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.