Оксид железа в нижней мантии

Громадное давление и сверхвысокие температуры в ядре Земли сжимают электроны и атомы настолько плотно, что они взаимодействуют совсем по-другому.

Новые эксперименты и расчеты сложнейших моделей на суперкомпьютерах позволили установить, что на больших глубинах под землей оксид железа может находиться в переходном состоянии нового вида.

Оксид железа  - составная часть одного из самых распространенных минералов в нижней мантии, ферропериклаза.

В научном журнале Physical Review Letters опубликованы результаты исследования, которые в состоянии изменить наше понимание процессов, происходящих в глубине Земли, а заодно изменить представления о поведении магнитного поля планеты,  защищающего ее от прямого действия разрушительных космических лучей.

В составе ферропериклаза содержится оксид железа и магний. Пытаясь воспроизвести условия, царящие в нижней мантии в лабораторных условиях, ученые исследовали электропроводимость окисла железа при давлении, превышающем атмосферное в 1.4 миллиона раз, и температурах около 4000 градусов по Фаренгейту. Был использован новый вычислительный метод, который задействует фундаментальную физику, в целях моделирования сложных взаимодействий между отдельными электронами. В результате ученые пришли к выводу о существовании нового вида металлизации оксида железа.

Как правило, отдельные компоненты в таких случаях подвергаются химическим, структурным, электронным и некоторым другим изменениям. Однако результаты моделирования и экспериментов показали, что оксид железа из изолированного состояния температуре 3000 градусов по Фаренгейту и при давлении порядка 690000 атмосфер стал высокопроводящим металлом без каких-либо изменений в его структуре.

В то же время все предыдущие исследования говорили о том, что металлизация оксида железа происходит с изменением кристаллической структуры вещества. Этот означает, что FeO может выступать и как изолятор, и как металл, в зависимости от внешних условий – температуры и давления.

«При очень высокой температуре атомы в кристаллах FeO образуют такую же пространственную структуру, как и поваренная соль NaCl», говорит Рональд Коген из геофизической лаборатории им. Карнеги. «И подобно соли, оксид железа в обычных условиях является неплохим изолятором. Все измерения, которые проводились до сих пор, говорили о металлизации FeO в условиях высоких температур и давлении. Но при этом  считалось, что кристаллическая структура тоже меняется. Однако выяснилось, что это неверно. Наша теория показала, что то, что происходит с электроны в процессе металлизации, сильно отличается от  металлизации всех других материалов».

Результаты исследования свидетельствуют о том, что оксид железа, находящийся  в нижней мантии Земли, - стабильно электропроводящий. Металлическое состояние, в котором пребывает это вещество, увеличивает электромагнитное взаимодействие, имеющее место между нижней мантией и жидким ядром. Это важно для понимания формирования магнитного поля планеты.

«Наше главное открытие состоит в том, что этот минерал, в зависимости от месторасположения, обладает разными физическими свойствами», добавил доктор Рассел Хемли, руководитель Геофизической лаборатории.