摘要
地球内核(IC)的密度小于纯铁，这表明其中存在轻元素1．硅、硫、碳、氧和氢被认为是候选物质2，3.，并研究了铁轻元合金的性能，以限制IC的组成4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19．轻元素对地震速度有很大的影响4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，熔化温度14，15，16，17还有热导率18，19铁合金。然而，很少考虑IC中轻元件的状态。利用从头算分子动力学模拟，我们发现六角形紧密堆积铁中的氢、氧和碳在IC条件下转变为超离子态，表现出像液体一样的高扩散系数。这表明集成电路可以处于超离子状态，而不是正常的固态。类似液体的轻元素导致地震速度大幅降低，这接近IC的地震观测结果20.，21．剪切波速的大幅度降低为软IC提供了解释21．此外，光元对流对IC地震结构和磁场也有潜在的影响。
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六角形紧密排列的铁的声速与地心压力之比
自然通讯开放获取11月25日
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确认
本研究得到了中国科学院战略重点研究项目(B) (XDB 18010401)的支持。感谢国家自然科学基金(42074104,41774101,11774015,U1930401)和中国科学院青年创新促进会(2020394)的支持。数值计算是在合肥先进计算中心、上海超级计算机中心和广州国家超级计算机中心进行的。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
Y.H.和S.S.对这项工作贡献均等，他们进行了计算，分析了数据，并撰写了手稿。y.h.， D.Y.K.和h.k.m.发起并设计了这个项目。Y.H.对相变、熔化温度和扩散特性进行了计算。S.S.对弹性性能进行了模拟。b.g.j进行了电导率计算。y.h.， D.Y.K.和H.L.讨论了地球物理意义。所有作者对数据解释进行了讨论，并对手稿进行了评论。
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道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1轻铁合金中H、O、C和Fe的运动轨迹和均方位移(MSDs)
轨迹的一个FeH中的H和Fe０．２５；bFeO中的O和Fe0.0625；cFeC中的C和Fe0.0625在IC条件下(~360 GPa和~5000 K)，超离子状态下，粉红色、红色、黑色和棕色的小球体分别代表H、O、C和Fe的轨迹。化学物质的dFeH中的H和Fe０．２５；eFeO中的O和Fe0.0625；fFeC中的C和Fe0.0625．
图2 Fe-H、Fe-O和Fe-C合金两相共存体系中温度和压力随模拟时间的演变
一个、温度及b， Fe-H, Fe-O和Fe-C合金的压力以浅灰色，粉红色和青色曲线表示，0.5 ps期间的平均数据以厚黑色，红色和蓝色曲线表示。
图3超离子Fe合金在芯态条件下的离子电导率。
用4 × 4 × 2超级单元和10ps模拟时间计算的扩散系数用开放符号表示。蓝色方块:FeH０．２５在~260 GPa;红色方块:FeH０．２５在~360 GPa;青色三角形:FeO0.0625在~260 GPa;橙色三角形:FeO0.0625在~360 GPa;绿圈:联邦选举委员会0.0625在~260 GPa;粉色圆圈:FeC0.0625在~360 GPa。采用4 × 4 × 6超级单体和100 ps模拟时间进行的收敛试验结果用十字和横条进行标记。收敛性检验的结果用黄色、品红和青色符号表示FeH０．２５, FeO说0.0625，以及联邦选举委员会0.0625,分别。
图4在360 GPa时Fe及Fe合金的电导率随温度的升高。
Fe, FeH的电导率０．２５, FeO说0.0625，以及联邦选举委员会0.0625由DFT + DMFT法计算得到，分别用黑色、蓝色、红色和品红符号表示。
扩展数据图5 FeH泊松比计算０．２５,选举委员会0.0625和FeO说0.0625在不同的温度和360 GPa下。
随着温度的升高，泊松比明显增大，接近内核的值(~0.44)。
扩展数据图6
计算不同构型hcp-Fe中X (X = H, O, C, S和Si)在360 GPa和0 K下的化学势。化学势用蓝条表示。上标s和i表示取代缺陷和间质缺陷。(子分开。+ inter.)和相关(二聚体)构型被注意到。
图7内芯条件下hcp-Fe中间质和取代H、C、O的稳定性
一个， Fe在Fe中的MSD60H4在360 GPa和5000 K;的相对形成能b， C和c， O分别在340 GPa和360 GPa的间隙位点和取代位点生成。
扩展数据图8 FeSi中Si、S、Fe的MSDs0.0625和菲斯0.0625在~330 GPa和3000 K。
化学物质的一个， Si和Fe在FeSi中0.0625；b， S和Fe在FeS中0.0625．Si、S和Fe的MSDs随模拟时间的延长而明显增大，表明Si、S和Fe处于液态。
图9 AIMD模拟后Fe-H、Fe-O和Fe-C两相体系结构
这些结构表明固态和液态铁合金共存。粉色、红色、黑色和棕色球体分别代表H、O、C和Fe原子。
权利和权限
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他，Y.，孙，S.，金，D.Y.et al。超离子铁合金及其在地球内核中的地震速度。自然602， 258-262(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x
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