摘要
地球的内核(IC)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者2，3.研究了铁轻元素合金的性能对IC组成的制约作用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铁的合金。然而，很少考虑集成电路中轻元素的状态。本文采用从头算分子动力学模拟，我们发现六方密排铁中的氢、氧和碳在IC条件下转化为超声态，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优越的状态而不是正常的固态。液体状的轻元素导致了地震速度的大幅度降低，这接近于IC的地震观测20.，21．剪切波速的大幅度下降解释了软集成电路的形成21．此外，光元素对流对IC地震结构和磁场有潜在的影响。
这是订阅内容的预览，通过你的机构获取
访问选项
订阅自然+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅杂志
获得1年的完整期刊访问权限
199.00美元
每期仅需$3.90
所有价格均为净价格。
增值税将在稍后的结帐中添加。
税金计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问权限。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
支持本研究结果的数据已存放在4TU研究数据中心:https://doi.org/10.4121/12932588.v2．任何其他数据可根据通讯作者的要求提供。源数据都提供了这张纸。
代码的可用性
维也纳从头计算模拟软件包是一个专有软件，可在https://www.vasp.at/．Phonopy代码可在http://phonopy.github.io/phonopy/．WIEN2k可在http://www.wien2k.at/．WIEN2k+eDMFT包可在http://hauleweb.rutgers.edu/tutorials/．
参考文献
地球内部的弹性和结构。j .地球物理学。Res。57, 227 - 286(1952)。
铁的位错熔解与内芯边界温度的研究。地球物理学。j . Int。115, 147 - 151(1993)。
李俊，费玉林，李玉林地球化学论著第2卷:地幔与地核(编者卡尔森，R. W.) 1-31(爱思唯尔，2007)。
李建华，费玉玉，毛鸿康，广濑光，谢绍荣。地球内核的硫。地球的星球。科学。列托人。193, 509 - 514(2001)。
Badro, J.等。轻元素对固体铁声速的影响:对地核组成的影响。地球的星球。科学。列托人。254, 233 - 238(2007)。
毛，z等。地核中铁和铁硅合金的声速。美国国家科学院学报。美国109, 10239 - 10244(2012)。
林俊峰，海因茨，d.l.，坎贝尔，a.j.，迪瓦恩，j.m. &沈国勇，地核中的铁硅合金?科学295, 313 - 315(2002)。
林俊峰等。铁镍和铁硅合金在高压下的声速。地球物理学。卷。30.2112(2003)。
Antonangeli等人。从Fe-Ni-Si合金中高压声速测量的地球内核组成。地球的星球。科学。列托人。295, 292 - 296(2010)。
陈，B.等。致密铁的剪切软化揭示了地核中隐藏的碳7C3.．美国国家科学院学报。美国111, 17755 - 17758(2014)。
Prescher, C.等。用碳合金化解释地球内核的高泊松比。Geosci Nat。8, 220 - 223(2015)。
柴崎，Y.等。用dhcp-FeH测量高达70 GPa的声速，用非弹性x射线散射:对地核组成的影响。地球的星球。科学。列托人。313 - 314, 79 - 85(2012)。
氢对固体铁的地震特性的影响。地球物理学。卷。42, 3780 - 3785(2015)。
Alfè， D.， Gillan, M. J. & Price, g.d.结合从头计算和地震数据约束下的地核成分和温度。地球的星球。科学。列托人。195, 91 - 98(2002)。
Terasaki, H.等。Fe-O-S合金的液相线和固相温度直到外核的压力:对地核热结构的暗示。地球的星球。科学。列托人。304, 559 - 564(2011)。
Morard, G.等。Fe-FeO和Fe-Fe3.地核-地幔边界条件下的C熔化关系:富挥发或富氧地核的意义。地球的星球。科学。列托人。473, 94 - 103(2017)。
马西诺，Miozzi, F.， Hirose, K.， Morard, G.和Sinmyo, R. 255gpa以下Fe-C二元体系的熔融实验:对地核碳含量的约束。地球的星球。科学。列托人。515, 135 - 144(2019)。
Pozzo, M.， Davies, C.， Gubbins, D. & Alfè， D.地核条件下铁的热和电导率。自然485, 355 - 358(2012)。
de Koker, N.， Steinle-Neumann, G. & Vlcek, V.液态铁合金在高温下的电阻率和热导率P而且T，以及地核的热流。美国国家科学院学报。美国109, 4070 - 4073(2012)。
兹沃斯基，a.m. &安德森，d.l.初步参考地球模型。理论物理。地球的星球。国际米兰。25, 297 - 356(1981)。
tkaliic, H. & Pham, t - s。的探测约束下的地核剪切特性J全局相关波场中的波。科学362, 329 - 332(2018)。
Martorell, B.， voadlo, L.， Brodholt, J. & Wood, I. G.内芯条件下hcp-Fe弹性性质的强预熔效应。科学342, 466 - 468(2013)。
马托雷尔，伍德，I. G.，布罗德霍特，J.和沃扎德罗，L. hcp-Fe的弹性性质1−x如果x地球的内核条件地球的星球。科学。列托人。451, 89 - 96(2016)。
李勇，voadlo, L. & Brodholt, J. B. hcp-Fe合金在地核条件下的弹性性质。地球的星球。科学。列托人。493, 118 - 127(2018)。
辛格，泰勒，M. A. J.和蒙塔尼，J. P.关于地球内核中液体的存在。科学287, 2471 - 2474(2000)。
从PKP和PKIKP相的差分旅行时间看内芯的各向异性。自然356, 309 - 314(1992)。
voadlo, L.， Dobson, D. P. & Wood, i.g. hcp-Fe弹性在内芯压力下作为温度函数的初始计算。地球的星球。科学。列托人。288, 534 - 538(2009)。
Belonoshko, a.b, Skorodumova, n.v, Rosengren, A. & Johansson, B.地球内核的弹性各向异性。科学319, 797 - 800(2008)。
地球内核差动旋转的地震学证据。自然382, 221 - 224(1996)。
苏文杰，齐亚旺斯基，詹洛兹。行星中的行星:地球内核的旋转。科学274, 1883 - 1887(1996)。
tkaliich, Young, M.， Bodin, T.， Ngo, S. & Sambridge, M.地震双重性揭示的地核的拖曳旋转。Geosci Nat。6, 497 - 502(2013)。
Lodders, K.太阳系元素的丰度和凝结温度。12,54。J。591, 1220 - 1247(2003)。
李玉华，李玉华，李玉华，Alfè， D.和Brodholt .地球内外核碳分配的研究。j .地球物理学。研究固体地球124, 12812 - 12824(2019)。
Pamato, m.g.等。300 K时hcp Fe - C - si合金的状态方程及C掺入机制对hcp Fe合金密度的影响。j .地球物理学。研究固体地球125e2020JB020159(2020)。
Alfè， D.地球内核边界的温度:来自第一性原理共存模拟的铁在高压下的熔化。理论物理。启B79060101(2009)。
安泽利尼，德韦勒，梅祖亚尔，M.， Loubeyre, P. & Morard, G.基于快速x射线衍射的地核边界铁的熔化。科学340, 464 - 466(2013)。
卡瓦佐尼等人。巨行星条件下水和氨的超离子和金属态。科学28344-46(1999)。
N.戈德曼，弗里德，L. E.郭，i.f。水的超离子相中的键合。理论物理。启。94217801(2015)。
埃尔南德斯,工业大学。体心立方H中的超-超相变2阿冰。理论物理。启。117135503(2016)。
米洛等人。冲击压缩超声速水冰的纳秒x射线衍射。自然569, 251 - 255(2019)。
米洛等人。利用冲击压缩的超高压水冰实验证据。Nat。物理。14, 297 - 302(2018)。
侯明等。地球深层地幔中的超离子氧化铁-氢氧化物。Geosci Nat。14, 174 - 178(2021)。
赫尔，法利，t.w. D，海斯，W. &哈钦斯，m.t.锂氧化物的弹性性质及其随温度的变化。j .诊断。板牙。160, 125 - 134(1988)。
地球内核的自转与磁性。科学274, 1887 - 1891(1996)。
馆野，广濑，大石，宇，和辰美，宇。地球内核铁的结构。科学330, 359 - 361(2010)。
贝洛诺shko, A. B.， Rajeev, A. & Johansson, B.地球内核中以体为中心的立方铁相的稳定性。自然424, 1032 - 1034(2003)。
Sakamaki, T.等。从极端条件下hcp-铁的声速测量推断出的地球内核组成的限制。科学。睡觉。2e1500802(2016)。
Antonangeli等人。高压下固体hcp-Fe和hcp-Fe - Si (9 wt.%)合金的声速和密度测量:对地核Si丰度的限制地球的星球。科学。列托人。482, 446 - 453(2018)。
碳对固体铁的地震性质的影响。地球物理学。卷。44, 128 - 134(2017)。
田川，大田，广濑，加藤，C. &大石，Y. Fe-Si-H合金对芯压的压缩。地球物理学。卷。43, 3686 - 3692(2016)。
多哥、田中。材料科学中的第一原理声子计算。可控硅。板牙。1081 - 5(2015)。
从第一性原理研究动态无序固体的相稳定性。理论物理。启。121225702(2018)。
Terasaki, H.等。Fe-Ni合金与水相(δ-AlOOH)反应后Fe-Ni氢化物的稳定性达到1.2 Mbar:可能是H对芯密度缺陷的贡献。理论物理。地球的星球。国际米兰。194 - 195, 18 - 24(2012)。
小泽，广濑，田野，S, Sata, N. & Ohishi, Y. FeO在210 GPa时B1和B8结构的相变边界。理论物理。地球的星球。国际米兰。179, 157 - 163(2010)。
馆野胜，熊山勇，广濑胜，大石勇。地球内芯铁硅合金的结构。地球的星球。科学。列托人。41811-19(2015)。
Mori, Y.等。Fe-Fe熔炼实验3.S系统到254 GPa。地球的星球。科学。列托人。464, 135 - 141(2017)。
费舍尔，R. A.等。Fe-16Si合金作为地核候选组分的状态方程和相图。地球的星球。科学。列托人。357 - 358, 268 - 276(2012)。
Blöchl, p.e.投影仪增波法。理论物理。启B50, 17953 - 17979(1994)。
用平面波基集进行从头算总能量计算的有效迭代格式。理论物理。启B54, 11169 - 11186(1996)。
Alfè， D.和M. J.传输系数的第一性原理计算。理论物理。启。81, 5161 - 5164(1998)。
他，Y.等人。KAlSi中钾离子快速迁移通道的第一性原理预测3.O8荷兰岩:对俯冲带高导电性异常的暗示。地球物理学。卷。43, 6228 - 6233(2016)。
穆克吉，斯蒂克斯鲁德，L. &卡基，B.水合硅酸盐在高压下熔化。自然452, 983 - 986(2008)。
Belonoshko, A. B.等。体心立方铁在内芯条件下的稳定。Geosci Nat。10, 312 - 316(2017)。
Alfè，王晓燕，王晓燕。超高温条件下均匀熔化的动力学研究。j .化学。理论物理。135024102(2011)。
Alfè， D.吉兰，M. J.和普莱斯，G. D.地核的温度和组成。一栏。理论物理。48, 63 - 80(2007)。
Alfè， D.固体和液体铝直接共存的第一性原理模拟。理论物理。启B68064423(2003)。
Bonev, s.a, Schwegler, E, Ogitsu, T. & Galli, G.一种由第一性原理计算提出的金属氢量子流体。自然431, 669 - 672(2004)。
李晓明，李晓明，李晓明。氢化物锂在压力下的熔化。理论物理。启。91175502(2003)。
Alfè， D.基于第一性原理模拟的MgO熔化曲线。理论物理。启。94235701(2005)。
Yoo, c.s.， Holmes, n.c.， Ross, M, Webb, d.j. & Pike, C.地核条件下的冲击温度和铁的熔化。理论物理。启。70, 3931 - 3934(1993)。
Alfè， D. Price, G. D. & Gillan . M. J.地核条件下的铁:从头算的液态热力学和高压熔化曲线。理论物理。启B65165118(2002)。
Sola, E. & Alfè， D.从扩散蒙特卡罗自由能计算地核条件下铁的熔化。理论物理。启。103078501(2009)。
Haule, K.， Yee, c - h。全电位方法中的动力学平均场理论:CeIrIn的电子结构5, CeCoIn5, CeRhIn5．理论物理。启B81195107(2010)。
Perdew, j.p, Burke, K. & Ernzerhof, M.简化了广义梯度近似。理论物理。启。781396(1997)。
徐杰等。从第一性原理研究地核固体铁的热导率和电阻率。理论物理。启。121096601(2018)。
Gomi, H.等。铁的高导电性和地核的热演化。理论物理。地球的星球。国际米兰。224, 88 - 103(2013)。
孙胜，何玉玉，金德英，李宏。超离子冰的异常弹性性质。理论物理。启B102104108(2020)。
何玉林，孙淑娟，李宏。超离子锂弹性性质的从头分子动力学研究2O在高温高压下。理论物理。启B103174105(2021)。
Nosé， S.恒温分子动力学方法的统一制定。j .化学。理论物理。81, 511 - 519(1984)。
确认
本研究得到中国科学院战略优先研究计划(B)项目(XDB 18010401)的资助。我们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。
作者信息
作者和联系
贡献
Y.H.和S.S.对这项工作做出了同样的贡献，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进行了相变、熔化温度和扩散性质的计算。S.S.进行了弹性性能模拟。b.g.j进行了电子电导率计算。y.h.， D.Y.K.和H.L.讨论了地球物理意义。所有作者都对数据解释进行了讨论，并对稿件进行了评论。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有竞争利益。
同行评审
同行审查的信息
自然感谢匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告可用。
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附属的管辖权要求保持中立。
扩展的数据图和表
图1 Fe-轻元素合金中H, O, C和Fe的轨迹和均方位移(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 (~360 GPa和~5000 K)条件下的超离子态，粉色、红色、黑色和棕色的小球体分别代表H、O、C和Fe的运动轨迹。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变化。
一个,温度和b， Fe-H、Fe-O和Fe-C合金的压力用浅灰色、粉色和青色曲线表示，0.5 ps周期内的平均数据用黑色、红色和蓝色厚曲线表示。
图3超离子铁合金在核心条件下的离子电导率。
用4 × 4 × 2超级单元和10 ps模拟时间计算的扩散系数用开放符号表示。蓝色方块:切０．２５~ 260 GPa;红色方块:切０．２５~ 360 GPa;青色三角形:FeO说0.0625~ 260 GPa;橙色三角形:FeO说0.0625~ 360 GPa;绿色圆圈:选举委员会0.0625~ 260 GPa;粉色圆圈:选举委员会0.0625~ 360 GPa。采用4 × 4 × 6超级单体和100 ps模拟时间的收敛性试验结果用十字和条标记。收敛性检验结果以黄色、品红和青色符号表示０．２５, FeO说0.0625,选举委员会0.0625,分别。
图4在360 GPa下Fe和Fe合金的电子电导率随温度的升高。
Fe, FeH的电子电导率０．２５, FeO说0.0625,选举委员会0.0625由DFT + DMFT法计算得到，用黑、蓝、红、品红符号表示。
图5计算FeH的泊松比０．２５,选举委员会0.0625和FeO说0.0625在各种温度和360 GPa下。
随着温度的升高，接近内芯的泊松比(~0.44)明显增加。
图6 .扩展数据
计算了不同构型hcp-Fe中X (X = H, O, C, S, 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。)和相关的(二聚体)构型被注意到。
图7内芯条件下hcp-Fe中间质和取代基H、C、O的稳定性。
一个， Fe中Fe的MSD60H4在360 GPa和5000 K;的相对生成能b, C和c在340 GPa和360 GPa处，O分别位于间隙区和取代区。
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随着模拟时间的增加而明显增加，表明它们处于液态。
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、黑色和棕色的球体分别代表H、O、C和Fe原子。
权利和权限
关于这篇文章
引用这篇文章
他，Y，孙，S，金，D.Y.et al。超离子铁合金及其在地核中的地震速度。自然602, 258 - 262(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x
收到了：
接受：
发表：
发行日期：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-04361-x
这篇文章被引用
通过皮秒声学，铁氢化物的纵波速度达到100吉帕斯卡
矿物物理与化学“，(2022)
橄榄岩体系中矿物状态方程的水化效应:对地幔地热的启示
地球科学杂志(2022)
