Глубоко внутри каменистой планеты, такой как Земля, поведение железа сильно влияет на свойства расплавленного материала. Новое исследование, изучающее квантовые свойства элементов в экстремальных условиях, имеет важное значение для нашего понимания истории Земли, объяснения уникальной сейсмической активности и изучения экзопланет, чтобы получить представление об их потенциале поддержания жизни.

Глубоко внутри каменистой планеты, такой как Земля, поведение железа сильно влияет на свойства расплавленного материала: свойства, которые влияют на то, как формировалась и развивалась планета. Ученые использовали мощные лазеры и сверхбыстрые рентгеновские лучи, чтобы воссоздать экстремальные условия в этих расплавленных материалах, известных как силикатные расплавы, и измерить свойства железа. Источник: Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC.

Эти свойства сыграли решающую роль в формировании и эволюции Земли. Эволюция нашей планеты, возможно, во многом была обусловлена ​​микроскопическими квантовыми состояниями атомов железа. «Спиновое состояние» железа — это квантовое свойство его электронов, которое влияет на его магнитное поведение и химическую реакционную способность. Изменения спинового состояния влияют на расплавленную или твердую форму железа и его проводимость.

До сих пор было непросто воспроизвести экстремальные условия в этих расплавленных материалах, известных как силикатные расплавы, для измерения спинового состояния железа. Международная группа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, Стэнфордского университета, Университета Гренобль-Альпы, Лаборатории по использованию интенсивных лазеров (LULI) и Университета штата Аризона преодолела эту проблему, используя мощные лазеры и сверхбыстрые рентгеновские лучи. Они обнаружили, что при чрезвычайно высоких давлениях и температурах железо в силикатных расплавах в основном находилось в низкоспиновом состоянии, то есть его электроны были ближе к центру и спаривались на своих энергетических уровнях, что делало железо менее магнитным и более стабильным.

Результаты, опубликованные в журнале Science Advances, подтверждают идею о том, что определенные типы лавы могут быть стабильными глубоко внутри Земли и других скалистых планет, потенциально играя роль в создании магнитных полей. Исследование потенциально может помочь понять эволюцию Земли, интерпретировать сейсмические сигналы и даже изучить экзопланеты.

«Что касается изучения истории Земли, мы изучаем процессы, которые происходили более 4 миллиардов лет назад», — сказал соавтор Дэн Шим, исследователь из Университета штата Аризона. «Единственный способ изучить историю Земли — использовать современные технологии, измеряемые в фемтосекундах. Контраст между этими огромными временными масштабами одновременно красноречив и шокирует: это сродни концепции машины времени».

Бомбардировка астероидами и океаны магмы

Примерно 4,3–4,5 миллиарда лет назад ранняя Земля испытала сильное воздействие и столкнулась с астероидом размером с город. Эти удары произвели столько тепла, что, возможно, полностью расплавили внешние слои Земли, создав глубокий океан лавы.

«Существуют теории, что под сильным давлением этих ударов лава может стать более плотной, чем твердая порода», — сказала соавтор Арианна Глисон, ученый из SLAC. Эта более плотная магма опускается к ядру Земли, сохраняя химические следы той эпохи. Некоторые полагают, что остатки этого слоя магмы могут существовать и сегодня, указывая на то, что это было 4,5 миллиарда лет назад. Вулканы в таких местах, как Гавайи, возможно, испускают эти древние химические следы, давая нам возможность заглянуть в далекое прошлое Земли. "

На неглубоких уровнях расплавленная порода занимает больше места, чем тот же материал в твердом состоянии. Но по мере увеличения глубины и давления эта разница уменьшается. Состав железа, особенно его спиновое состояние, играет важную роль в определении этих свойств. Предыдущие исследования показали неоднозначные результаты по спиновому состоянию железа в аналогичных условиях: некоторые исследования обнаружили быстрые изменения спинового состояния железа при высоком давлении, тогда как другие обнаружили более медленные и постепенные изменения.

Новое исследование является первым прямым наблюдением того, как железо ведет себя в настоящей лаве в экстремальных условиях.

«Хотя мы можем получить много информации, изучая горные породы и окаменелости, некоторые аспекты ранней истории Земли были утеряны, поскольку записей того времени мало. Именно это делает это исследование уникальным», — сказал Шим. «Формирование Земли было турбулентным процессом, включавшим сильные удары и создание глобального слоя лавы. Давление в слое лавы было огромным. Мы изучали это с помощью лабораторных экспериментов, моделирующих условия того времени».

В камере «Материалы в экстремальных условиях» (MEC) линейного источника когерентного света (LCLS) SLAC команда взорвала образец мощными лазерами, преобразуя твердый материал в силикатный расплав за наносекунды, воссоздавая экстремальное давление, обнаруженное в ранних магматических океанах Земли. Затем ученые использовали фемтосекундные рентгеновские импульсы от LCLS для изучения электронной структуры таких элементов, как железо, в этих экстремальных условиях, получив представление о том, как электронные конфигурации изменяются в разных условиях, и обнаружив, что расплавленная магма действительно становится более плотной, чем твердые тела при определенных условиях.

«Понимая внутреннюю динамику Земли, мы можем улучшить модели тектонических движений и других геологических явлений», — сказал Глисон. «Кроме того, поскольку слои Земли взаимосвязаны, эти результаты имеют значение для науки о климате».

Узнайте о нашей планете

В этом исследовании команда сосредоточилась на расплавах с низким содержанием железа. Но по мере того, как материал движется к центру Земли, он теоретически поглощает больше железа, делая его более плотным. В продолжение исследования команда планирует изучить расплавы с более высоким содержанием железа. Они также надеются провести эксперименты с расплавами, содержащими немного воды, чтобы узнать больше о круговороте воды и климате Земли.

Исследование также может выявить особые сейсмические скорости глубоко в мантии Земли. Эти аномалии озадачивали ученых на протяжении десятилетий. Некоторые теории предполагают, что эти области могут быть остатками магмы, образовавшейся 4,5 миллиарда лет назад, в то время как другие полагают, что они являются результатом погружения тектонических плит в недра Земли, распространяя материалы с низкой температурой плавления. Сравнивая различные гипотезы с использованием методов сейсмической визуализации, команда стремилась определить происхождение этих областей и различить древний и недавний материал.

«По мере развития технологий мы находимся на переднем крае решения грандиозных задач — от минералогии до климатологии, объединяя области исследований», — сказал ученый и сотрудник SLAC Роберто Алонсо-Мори. «Огромное количество информации, которую мы можем собрать, меняет наши возможности. Это меняет правила игры. Очень интересно работать с такой разнообразной командой над разработкой новых технологий и применять их для решения насущных проблем».