約30年前，理論預(yù)測水（H2O）在極端高溫高壓條件會進入一種介于固態(tài)冰與液態(tài)水之間的新形態(tài)——超離子態(tài)。這種形態(tài)下水分子中的氫原子（H）會脫離晶格的束縛而在固體氧原子（O）晶格中像液體一樣自由擴散，從而導致導電能力大幅度增加，使固態(tài)冰由絕緣體向?qū)w轉(zhuǎn)變。這種理論預(yù)測的“超離子態(tài)冰”直到2018年才被科學家采用光導率測量的實驗方法在動態(tài)激光加載下證實。水的超離子態(tài)對以水為重要組成物質(zhì)的大質(zhì)量行星，如天王星和海王星，有著深遠的影響，可以解釋這些含水星體的電導率異常和磁場偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

地球表面覆蓋著大面積的水，然而地球內(nèi)部不存在或含有極少量的自由水（冰），尤其在下地幔深部水是以羥基氫氧根（OH-）形式賦存在礦物中。不同于超離子冰中的固體氧晶格，下地幔礦物主要由鎂（Mg）、鐵（Fe）、硅（Si）和氧等原子組成晶格。在地球內(nèi)部高溫高壓環(huán)境下，氫原子能否像在氧晶格中一樣在復(fù)雜的含水礦物晶格中自由流動而形成超離子態(tài)？這對于理解地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)、熱量傳導、磁場狀態(tài)、電場狀態(tài)和氫元素的循環(huán)等具有非常重要的影響。

北京高壓科學研究中心的胡清揚、Duckyoung Kim和劉錦研究員帶領(lǐng)的研究團隊使用理論計算和實驗相結(jié)合的方法首次發(fā)現(xiàn)了地球深部的超離子態(tài)——含水礦物羥基氧化鐵(FeO2H)會在壓力大約75萬大氣壓，溫度高于1500攝氏度的條件時進入超離子態(tài)。這個溫度和壓力范圍覆蓋了下地幔深部的大部分區(qū)域。相關(guān)工作以“Superionic iron oxide-hydroxide in Earth’s deep mantle”為題發(fā)表于近期的Nature Geosciences上。

圖示：深下地幔高導電的超離子態(tài)。

2016年北京高壓科學研究中心的胡清揚研究員發(fā)現(xiàn)了黃鐵礦結(jié)構(gòu)的二氧化鐵FeO2（Fe的價態(tài)為+2價），而相同結(jié)構(gòu)的FeO2H可以理解為以FeO2結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的含水礦物（Nature, 2016）。2017年劉錦研究員發(fā)現(xiàn)FeO2H可能在核幔邊界富集，并形成超低地震波波速帶（Nature，2017）。DuckyoungKim研究員通過理論模擬預(yù)測發(fā)現(xiàn)了FeO2H中的氫在高溫下具有很強的流動性，能部分掙脫氧的束縛，形成一種介于FeO2和FeO2H的混合形態(tài)，該結(jié)果近年來發(fā)表于PNAS，JACS、NSR、Geoscience Frontiers等期刊上。

FeO2H中的氫具有的流動性是其進入超離子態(tài)的雛形，為了進一步研究FeO2H是否能產(chǎn)生超離子態(tài)，在北京高壓科學研究中心毛河光院士的指導下，該團隊進行了一系列的原位高溫高壓實驗測量和理論計算。

拉曼光譜測量表明O-H鍵的拉曼峰會在壓力高于73萬大氣壓的條件下向低波數(shù)移動。“通常情況下，同一個拉曼峰在壓力作用下由于原子間距離的縮減而向高波數(shù)移動。此處拉曼峰的藍移預(yù)示著O-H鍵的強度減弱，這一實驗結(jié)果與理論計算的結(jié)果相符。O-H鍵在高壓下逐漸減弱，會形成局域性的自由擴散，”何宇博士談到，“理論預(yù)測高壓下當溫度升高到1400攝氏度或更高，質(zhì)子能完全脫離氧原子的束縛，發(fā)生快速擴散，其擴散系數(shù)高達10-8-10-7平方米每秒，可與液體分子運動類比，這完全符合超離子態(tài)的定義。”

該研究團隊預(yù)測在超離子態(tài)下自由移動的氫離子會導致FeO2Hx的電導率在相變點突然增加。“我們在金剛石壓砧內(nèi)設(shè)計了四電極的范德堡測量方法，實現(xiàn)了高溫高壓下材料的電導率測量。在100-121萬大氣壓下，當FeO2Hx被加熱到1500-1700攝氏度時其電導率增大了兩倍，”侯明強博士介紹說，“高溫促使氫離子像自由電子一樣在的FeO2晶格中自由移動，從而使電導率急劇增加。電導率的突變是超離子態(tài)最直接最強有力的證據(jù)。”

“這是地幔深部第一個發(fā)現(xiàn)的超離子態(tài)含水礦物。傳統(tǒng)上認為受制于固體相的高粘性，地幔對流是很慢的，時常需要以萬年甚至百萬年為單位研究地幔內(nèi)部的活動。超離子態(tài)氫類似于液體，在高溫下能進行高速擴散運動。它不但能夠快速傳遞熱能，同時由于氫具有質(zhì)量，因而也是物質(zhì)傳輸?shù)妮d體。這一發(fā)現(xiàn)將使得地幔對流速率比以往提升數(shù)個數(shù)量級，對地球內(nèi)部的物質(zhì)和能量循環(huán)的認識將是一個顛覆性的工作。”北京高壓科學研究中心主任毛河光院士點評道。 該論文的第一作者是侯明強博士和何宇博士，通訊作者是胡清揚研究員、劉錦研究員和Duckyoung Kim研究員。此工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和騰訊基金會等項目的支持。

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