Fe元素是构成地核最主要的元素，然而地震波观测数据显示地核的密度比纯铁小，因此表明地核必然含有其他轻质元素。尽管Mg元素是地球及其他系外类地行星等固态行星中丰度较高的轻质元素之一，但因为在常温常压下Fe和Mg几乎互不相溶，过去人们几乎不考虑其作为内核的轻质元素与Fe形成的合金对行星内核动力学演化的影响。最近研究表明通过高压条件有利于促进Fe-Mg化合物的形成。地球及其他系外类地行星等固态行星内部压强可达几百GPa甚至几十TPa。因此，通过高压条件下Fe-Mg化合物的结构及相变行为的探究，实现对遥不可及的行星地核的分析和理解具有重要意义。

近日，厦门大学计算凝聚态物理研究组与美国哥伦比亚大学、爱荷华州立大学及广州工业大学合作，在超高压条件下的Fe-Mg化合物的结构预测研究取得新进展，相关成果以“Unconventional iron-magnesium compounds at terapascal pressures”为题发表在Physical Review B 杂志上(DOI: 10.1103/PhysRevB.104.144109)。

先前的研究表明在压强为18~360GPa（地球内核压强）范围内，Fe-Mg可形成一系列稳定的化合物。我们基于自适应遗传算法的变组分结构搜索，在系外行星压强条件下(1~3 TPa; 1TPa = 1000GPa) 预测发现了几种稳定的Fe-Mg结构相。

在1~3TPa的压强范围内，我们发现了4种具有不同化学计量比的稳定的Fe-Mg化合物，即Fe2Mg, FeMg, FeMg2以及FeMg3, 如图1(a)的凸包图所示。图1(b)所示压强-组分相图给出了各个FeMg化合物的稳定压强范围。在系外行星压强条件下，Fe2Mg、FeMg和FeMg3分别具有稳定的I4/mmm相、Fd-3m相和Fm-3m相；FeMg2则会经历P63/mmc相到P6/mmm相的转变。这些稳定结构相的原子结构图及其相应的Fe/Mg多面体构型如图(2)所示。此外，我们还证明了这些稳定结构相的动力学稳定性。

图1. Fe-Mg化合物的稳定性。(a) 系外行星压强下Fe-Mg体系的凸包图，其中实心符号代表稳定结构相，空心符号代表亚稳相。(b) Fe-Mg体系的压强-组分相图。

图2. 稳定Fe-Mg化合物的原子结构图，棕色和绿色小球分别表示Fe和Mg原子。

我们进一步采用团簇对齐法探究了FeMg体系基态结构及相对焓(Hd; 即与凸包图的距离)在0.8eV/atom以内的亚稳结构的结构特征，即将Fe-Mg体系低焓结构中以Fe原子为中心的多面体与已有的结构基元模板进行比对，以此确定其局域排布结构。图3中右侧为我们所选取的5种局域结构基元模板。从图中可以看出，当Fe和Mg的成分较为接近时(即符号接近绿色时), FexMgy具有单一的局域排布构型BCC；而当Fe或Mg的成分很高时，结构中具有多种局域排布构型。此外，我们还发现，在360GPa条件下，Fe-Mg体系的平均体积随Mg的成分的增加而增加（如图中黑色箭头所示）;在2TPa和3TPa条件下，Fe-Mg体系的平均体积则随Mg的成分的增加而减小（如图中黑色箭头所示）；而在1TPa时不同Mg含量下Fe-Mg体系具有相近的平均体积。

图3. 低焓Fe-Mg体系的相对形成焓与体积关系图，图中颜色表示Mg的含量，符号表示局域排布构型，“others”表示局域排布基元与所选取的5种结构基元模板的分数差都大于0.125。

为了进一步理解上述体积-成分之间的关系，我们探究了Fe、Mg单质在高压下的压缩特性。从图4中可以看出，在压强较小时，Fe/Mg体积差随压强的增大而减小，而在压强较大时，二者之间的体积差则随压强的增大而增大。更为有趣的是，在常压下Fe和Mg之间的原子体积差比在超高压下大一个数量级以上(见图4插图)。Fe/Mg体积差相对于压强的巨大变化可以解释高压诱导Fe-Mg化合物的形成。在常压下，Fe和Mg的体积差很大，很难混溶。随着压强的增加，Mg比Fe具有更强的可压缩性，因此在高压作用下二者体积差减小，从而导致Fe-Mg化合物和不同Fe-Mg基序的形成。

图4. Fe和Mg单质的相对体积与压强关系图，其中以不同压强下bcc-Fe的体积作为参照。

   该研究工作表明，稳定的Fe-Mg可以在极端条件如超级地球的内部压强条件下存在，并且在高压条件下，Fe-Mg体系倾向于采取bcc局域排布结构。这一工作不仅丰富了高压Fe-Mg化合物的数据库，也为进一步研究行星内部结构行为提供了基础。

   该工作得到了国家自然科学基金委员会(项目号11874307)的支持。

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https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.144109