Phát hiện kim loại mới ở sâu trong lòng đất

Áp suất và nhiệt độ cực cao trong nhân sâu của Trái đất làm nén các nguyên tử và electron chặt đến mức chúng tương tác rất khác. Theo độ sâu, các chất liệu thay đổi dần. Những thí nghiệm mới và tính toán trên máy tính phát hiện thấy sắt oxide chịu một loại chuyển pha mới trong điều kiện sâu dưới lòng đất. Sắt oxide, FerO, là một thành phần của khoáng chất dồi dào bậc hai tại lớp bao dưới của Trái đất, ferropericlase.

Kết quả mới, sẽ công bố trong số ra sắp tới của tạp chí Physical Review Letters, có thể làm thay đổi kiến thức của chúng ta về cơ chế động lực học ở sâu trong lòng Trái đất và hành trạng của từ trường bảo vệ, cái che chắn hành tinh của chúng ta trước những tia vũ trụ chết chóc.

Ferropericlase chứa cả magnesium lẫn sắt oxide. Để mô phỏng các điều kiện cực độ đó trong phòng thí nghiệm, đội khoa học trong đó có đồng tác giả Ronald Cohen thuộc Viện Vật lí Địa cầu Carnegie, đã nghiên cứu sự dẫn điện của sắt oxide với áp suất và nhiệt độ lên tới 1,4 triệu lần áp suất khí quyển và 4000^oF – tương đương với các điều kiện tại ranh giới nhân-lớp bao. Họ còn sử dụng một phương pháp điện toán mới chỉ sử dụng vật lí cơ sở để mô phỏng các tương tác nhiều vật phức tạp giữa các electron. Lí thuyết lẫn thí nghiệm đều dự đoán một loại kim loại hóa mới ở FeO.

Các hợp chất thường chịu sự biến đổi cấu trúc, hóa học, điện tử và những biến đổi khác dưới những điều kiện cực độ này. Trái với suy nghĩ trước đây, sắt oxide chuyển từ một trạng thái cách điện (không dẫn điện) thành một kim loại dẫn điện tốt ở 690.000 lần áp suất khí quyển và 3000^oF, nhưng không có sự biến đổi cấu trúc của nó. Những nghiên cứu trước đây giả sử rằng sự kim loại hóa ở FeO đi cùng với một sự biến đổi cấu trúc tinh thể của nó. Kết quả này có nghĩa là sắt oxide có thể vừa là chất cách điện vừa là kim loại tùy thuộc vào điều kiện áp suất và nhiệt độ.

“Ở nhiệt độ cao, các nguyên tử trong những tinh thể sắt oxide sắp xếp với cấu trúc giống như muối ăn thường, NaCl,” Cohen giải thích. “Giống như muối ăn, FeO ở những điều kiện tùy ý là một chất cách điện tốt – nó không dẫn điện. Những phép đo trước đây đã cho thấy sự kim loại hóa ở FeO ở áp suất và nhiệt độ cao, nhưng người ta nghĩ là có một cấu trúc tinh thể mới hình thành. Thay vậy, kết quả mới của chúng tôi cho thấy FeO kim loại hóa mà không có sự biến đổi cấu trúc và sự kết hợp áp suất và nhiệt độ là cần thiết. Ngoài ra, lí thuyết của chúng tôi còn cho thấy rằng cách các electron hành xử mang đến cho nó tính kim loại khác với những chất liệu khác trở nên có kim loại tính.”

“Những kết quả trên ngụ ý rằng sắt oxide đang dẫn điện trong toàn ngưỡng ổn định của nó trong lớp bao dưới của Trái đất,” Cohen nói. “Pha kim loại sẽ tăng cường sự tương tác điện từ giữa nhân lỏng và lớp bao dưới. Như vậy sẽ ảnh hưởng đến từ trường của Trái đất, cái được sinh ra trong nhân ngoài. Nó sẽ làm thay đổi cách thức từ trường truyền đến mặt đất, vì nó mang lại sự kết hợp từ-cơ giữa lớp bao và nhân Trái đất.”

“Thực tế một chất có những tính chất khác biệt hoàn toàn như thế - phụ thuộc vào thành phần của nó và nó nằm ở đâu bên trong Trái đất – đúng là một khám phá,” giám đốc Phòng thí nghiệm Vật lí Địa cầu Carnegie, Russell Hemley kết luận.

Dịch bởi Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: Viện Carnegie