地核-地幔边界(CMB)是地球的铁金属地核与地核上方的厚岩石层地幔之间的界面。这是一个极端的世界——温度高达数千华氏度，压力是地球表面压力的一百万倍以上。虽然它看起来离我们地球表面的环境很遥远，但来自CMB的物质羽流可以在数千万年的时间里向上上升，穿过地球，影响我们生活的表面世界的化学、地质结构和板块构造。
尽管科学家无法前往地球中心研究CMB，但他们可以通过测量地震来获得地球表面下的线索。地震波以不同的速度传播，这取决于它们所经过的材料，这使得研究人员能够利用地震特征推断地表以下深处的物质。这类似于超声波如何利用声波在人体内部成像。
最近的研究表明，地幔的底部实际上是复杂而不均匀的——特别是在一些类似山脉的地区，地震波在那里神秘地减慢了速度。这些斑点被称为超低速度带(ulvz)，最早是由加州理工学院的唐·海姆伯格发现的，有几十公里厚，位于我们脚下约3000公里处。
“因为我们不能简单地去到CMB进行测量，所以对于一个对我们星球的进化如此重要的区域，有许多悬而未决的问题，”威廉·e·莱昂哈德矿物物理学教授詹妮弗·杰克逊说。“为什么存在ulvz，它们是由什么制成的?”它们告诉我们地球是如何进化的，以及该地区在地球动力学中扮演什么角色?在CMB的极端条件下，这些斑点是固体还是熔融的?”
2010年，杰克逊和她的团队提出，这些斑点比它们周围的地幔含有更高的氧化铁含量。固体氧化铁会减慢地震波的速度，这就可以解释为什么通过这些斑点的地震波速度较低。但是氧化铁在CMB的极端温度和压力下会变成固体吗?
现在，杰克逊实验室的一项新研究详细测量了氧化铁在与CMB相似的温度和压力范围内的行为。由此得出的所谓相图表明，与先前的理论相反，氧化铁即使在非常高的温度下也保持固体状态。这是迄今为止最有力的证据，表明固体富铁区是ulvz的一个现实解释，并可能在深层地幔柱的形成中发挥关键作用。这一发现激发了未来对富含铁的固体物质的研究，以更好地了解地球深处的内部。
描述这项研究的论文发表在11月13日的《自然通讯》杂志上。
在原子水平上，固体氧化铁是由铁原子和氧原子整齐地排列成有序的重复模式组成的。当固体开始融化时，原子失去了它们严格有序的结构，开始流动起来。这项新研究由前加州理工学院研究生Vasilije Dobrosavljevic(22届博士)领导，旨在通过实验确定发生这种转变的温度和压力。
几十年来，在实验中达到极端温度和压力已经成为可能，但实验需要的样本很小，比人类头发的平均宽度还小。使用如此小的样品，检测材料从固体到液体转变的精确温度是一项挑战。十多年来，杰克逊和合作者一直在开发一种技术来检测高压下的融化。这项新研究利用这种被称为Mössbauer光谱学的精确技术来观察铁原子的动态结构。
“我们使用Mössbauer来回答有关铁原子动态运动的问题，”Dobrosavljevic说。“在大约100纳秒的短时间内，我们想知道:它们是像在固体中那样几乎不动，还是像在液体中那样动得很多?”我们的新研究用独立的x射线衍射方法补充了Mössbauer光谱学，使我们能够观察样品中所有原子的位置。”
在一系列温度和压力下进行了数十次实验后，研究小组发现，在地球CMB的压力下，氧化铁的熔化温度比之前估计的要高:超过4000开尔文，相当于大约6700华氏度。
这项研究还得出了关于铁材料中所谓的原子缺陷的意想不到的结果。
研究人员已经知道，在海平面压力下，每个氧化铁样本的原子结构中都有微小的规则间隔缺陷。每100个氧原子中，只有大约95个铁原子，这意味着大约有5个铁原子“失踪”。研究人员一直在争论这些原子级缺陷如何在更大范围内影响材料——例如，它如何导电和导热，或者在压力下变形等等。这些参数对于理解行星内部是至关重要的，在那里热流和物质变形驱动行星动力学。然而，在高压和高温下缺陷的行为，就像在CMB中发现的那样，直到现在还不为人所知。
Dobrosavljevic和他的团队发现，在比氧化铁熔点低几百开尔文的温度下，微小的原子缺陷开始在固体材料中移动，变得“无序”。这可以解释为什么以前的实验表明氧化铁在较低的温度下熔化:那些实验实际上看到的是缺陷的变化，而不是整个晶体结构的熔化。
“在固体晶体转变为液体之前，我们看到缺陷结构经历了从有序到无序的转变，”他说。“现在我们想知道这种新发现的转变对像ULVZ这样富含铁的区域的物理性质有什么影响?这些缺陷是如何影响热量的传输的，它对到达地表的上升流羽流的形成和产生意味着什么?这些问题将指导进一步的研究。”
这篇论文的题目是“在地核-地幔边界压力下FeO的熔化和缺陷转变”。
