科学家重现地球深处的条件以观察铁如何应对极端压力

在我们的下方有一个固体铁和镍的球体，其宽度跟德克萨斯州最宽的地方一样，它是地球的内核。内核的金属所承受的压力比我们在日常生活中所经历的高约3.6亿倍，温度大概跟太阳表面一样。值得庆幸的是，地球的行星核心是完整的。但在太空中，类似的核心会跟其他天体发生碰撞进而导致核心的结晶材料迅速变形。

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我们太阳系中的一些小行星是巨大的铁质物体，科学家怀疑它们是灾难性撞击后的行星核心的残留物。

测量在天体碰撞过程中或在地球核心发生的情况显然是不太现实的。因此，我们对行星核心的大部分理解是基于对不太极端的温度和压力下的金属的实验研究。但能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员现在首次观察到铁的原子结构是如何变形以适应来自内核以外的压力和温度的压力。

这些结果已经发表在《Physical Rreview Letters》上。

应对压力

我们在日常生活中遇到的大多数铁其原子排列成纳米级的立方体，每个角有一个铁原子，中心有一个铁原子。但如果通过施加极高的压力来挤压这些立方体，它们就会重新排列成六边形棱镜，这使得原子能够更紧密地包裹在一起。

SLAC的研究小组想看看，如果继续对这种六边形排列施加压力以模仿铁在地心或从太空返回大气层期间发生的情况会发生什么。“我们没有完全达到内核条件，”研究的论文共同作者Arianna Gleason指出，“但我们达到了行星外核的条件，这真的很了不起。”Gleason是SLAC高能密度科学(HEDS)部门的科学家。

以前没有人直接观察过铁在如此高的温度和压力下对压力的反应，所以研究人员不知道它将如何反应。Gleason指出：“当我们继续推动它时，铁不知道该如何应对这种额外的压力。而它需要缓解这种压力，所以它试图找到最有效的机制来做到这一点。”

铁用来处理这种额外压力的应对机制被称为 “孪生(twinning)”。原子的排列向一侧分流，将所有的六边形棱镜旋转近90度。孪生是金属和矿物中常见的压力反应--石英、方解石、钛和锆都经历过孪生。

“孪生使铁具有令人难以置信的强度--比我们最初想象的要强--在它开始以更长的时间尺度进行塑性流动之前，”Gleason说道。

两种激光器的故事

据了解，要达到这些极端条件需要两种类型的激光器。第一种是光学激光器，它产生的冲击波将铁样品置于极高的温度和压力下；第二种是SLAC的线性加速器相关光源(LCLS)的X射线自由电子激光器，它使研究人员能在原子水平上观察铁。来自法国里尔大学的论文第一作者Sébastien Merkel指出：“在当时，LCLS是世界上唯一可以做到这一点的设施。它一直是世界上其他类似设施的开路先锋。”

该团队向一个约人的头发丝宽度的微小铁样品发射了两道激光，然后用热和压力的冲击波击中了铁。“控制室就在实验室的上方，，当你触发放电时会听到一声巨大的爆响，”Merkel说道。

当冲击波击中铁时，研究人员使用X射线激光来观察冲击如何改变铁原子的排列。“我们能在十亿分之一秒内进行测量，”Gleason说道，“在那一纳秒内将原子冻结在哪里，真的很令人兴奋。”

研究人员收集了这些图像并将它们拼接成一本显示铁变形的翻页书。在实验完成之前，他们不知道铁的反应是否太快以至于他们无法测量或太慢他们永远无法看到。Merkel说道。“在我们可以测量的时间尺度上发生孪生的事实，本身就是一个重要的结果。”

未来是光明的

这个实验是理解铁的行为的一个书架。科学家们已经收集了关于铁在较低温度和压力下的结构的实验数据并将其用于模拟铁在极高温度和压力下的行为，但从来没有人通过实验测试这些模型。

“现在我们可以对一些真正基本的变形机制的物理模型竖起大拇指，竖起小拇指，”Gleason说道，“这有助于建立我们所缺乏的一些预测能力以模拟材料在极端条件下的反应。”

这项研究为铁在极端高温和高压下的结构特性提供了令人兴奋的见解。与此同时，这些结果还是一个有希望的指标，即这些方法也可以帮助科学家了解其他材料在极端条件下的表现。

Gleason说道：“现在我们已经开发出一种方法来进行这些测量，未来是光明的。作为LCLS-II项目的一部分，最近的X射线起伏器升级允许更高的X射线能量--使得对更厚的合金和对称性更低、X射线指纹更复杂的材料的研究成为可能。”

这次升级还将使研究人员能够观察更大的样品，这将使他们更全面地了解铁的原子行为并改善他们的统计数据。另外，“我们将获得更强大的光学激光器并获准着手建造一个新的旗舰级petawatt激光设施，被称为MEC-U，”Gleason指出，“这将使未来的工作更加令人兴奋，因为我们将能毫无问题地进入地球内部的核心条件。”

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