在地表以下约 6000 公里处，存在着地球最致密的部分—内核。内核主要由铁组成，还含有一定量的氧等轻质元素。内核所处的极端高温高压环境孕育着许多新奇物态。比如，在日常条件下金属铁与氧接触会形成我们熟知的固态铁锈；然而在内核高达约 360 万个大气压、温度可达 6000 K 的条件下，氧却会在铁的晶格中如液体般运动，形成一种被称为“超离子态”的特殊物态。在这种状态下，铁原子依然保持稳定的晶格排列，而氧原子则能够在晶格间自由穿梭，既具有固体的结构特征，又表现出液体般的扩散行为。如何理解行星内部极端条件下物质的行为规律，近年来已成为深地科学与行星科学领域的研究热点。
为刻画内核条件下氧的热力学性质和动力学过程，并揭示氧对内核成分与结构的影响，研究团队开展了大量基于量子力学的第一性原理分子动力学模拟，系统研究了氧在极端条件下不同铁晶体结构中的运动特征。研究结果表明，超离子氧不仅能够在固态铁中稳定存在，还会显著改变铁原子的集体运动方式。在一些晶体结构中，氧的存在会增强铁原子的协同扩散行为，从而影响内核中不同铁相之间的稳定性竞争。
图1. 超离子氧对铁晶体动力学的影响。右图中超离子态氧原子（红色）的运动加剧了铁原子（蓝色）的协同扩散。
为了定量刻画超离子态对地核性质的影响，研究团队进一步发展了一套超离子态自由能计算框架，基于“超离子态—液态”之间的平衡关系和热力学积分方法，首次获得了具有第一性原理精度的超离子态自由能及其相图。结合地震学观测数据，进一步揭示了氧在固态内核与液态外核之间的分配规律。研究发现，在考虑超离子态效应后，固态内核中能够容纳的氧含量相比以往模型显著提高。
图2. 基于两相共存模拟与热力学积分方法建立的超离子态自由能计算框架，以及地核条件下铁-氧体系的自由能结果与超离子态-液态相图。
该研究不仅建立了一套可用于研究行星内部超离子态热力学性质的通用计算框架，也为理解地球内核的结构、组成及其长期演化提供了新的物理图景。研究结果表明在极端条件下，物质能够呈现出新奇而复杂的行为，而这些发生在微观尺度上的原子运动，正深刻影响着地球等行星的整体演化过程。
相关研究成果以“Ab Initio Superionic–Liquid Phase Diagram of Fe1-xOx under Earth’s Inner Core Conditidions”为题发表在Physical Review Letters上(DOI:10.1103/37nh-5ws8)。我院博士研究生吴泽鹏（本科直博）为论文第一作者，孙阳教授、吴顺情教授以及美国哥伦比亚大学R. M. Wentzcovitch教授为共同通讯作者，厦门大学物理学系为第一单位。该工作受到国家自然科学基金等基金的支持。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/37nh-5ws8
