在像地球這樣的岩質行星深處，鐵的行為極大地影響熔岩材料的特性。探索極端環境中元素量子特性的新研究對我們了解地球的歷史、解釋獨特的地震活動以及研究系外行星以深入了解其支持生命的潛力具有重要意義。

在像地球這樣的岩質行星深處，鐵的行為會大大影響熔岩材料的特性：這些特性影響地球的形成和演化過程。科學家利用強大的雷射和超快X 射線重現了這些被稱為矽酸鹽熔體的熔岩材料中的極端條件，並測量了鐵的特性。資料來源：Greg Stewart/SLAC 國家加速器實驗室

這些特性在地球的形成和演化過程中發揮了至關重要的作用。我們星球的演化可能在很大程度上是由鐵原子的微觀量子態所驅動的。鐵的”自旋態”是其電子的量子特性，會影響其磁性行為和化學反應性。自旋態的變化會影響鐵的熔融或固體形態及其導電性。

迄今為止，要在這些被稱為矽酸鹽熔體的熔岩材料中重現極端條件來測量鐵的自旋態一直是個挑戰。美國能源部SLAC 國家加速器實驗室、史丹佛大學、格勒諾布爾阿爾卑斯大學、強雷射利用實驗室（LULI）和亞利桑那州立大學的國際研究小組利用強大的雷射和超快X 射線克服了這一挑戰。他們發現，在極高的壓力和溫度下，矽酸鹽熔體中的鐵大多處於低自旋狀態，這意味著其電子更靠近中心，並在其能階中配對，從而使鐵的磁性更弱、更穩定。

發表在《科學進展》（Science Advances）上的這一結果支持了這樣一種觀點，即某些類型的熔岩可能在地球和其他岩質行星深處很穩定，有可能在磁場的形成過程中起到作用。這項研究對了解地球的演化、解讀地震訊號，甚至系外行星的研究都有潛在的影響。

合作者、亞利桑那州立大學研究員丹-希姆（Dan Shim）說：「就探索地球歷史而言，我們正在研究40 多億年前發生的過程。研究地球歷史的唯一方法是使用以飛秒為單位的現代技術。這些巨大的時間尺度之間的對比既雄辯又令人震驚：這類似於時間機器的概念。”

小行星轟擊與岩漿海洋

大約43 億至45 億年前，早期地球經歷了強烈的撞擊，被大如城市的小行星撞擊。這些撞擊產生了大量的熱量，可能完全融化了地球的外層，形成了一個深邃的熔岩海洋。

“合作者、SLAC 科學家阿里安娜-格里森（Arianna Gleason）說：”有理論認為，在這些撞擊的巨大壓力下，熔岩的密度可能會超過固體岩石。這種密度較大的岩漿會向地核下沉，從而捕捉到那個時代的化學特徵。有些人認為，這種岩漿層的殘餘物今天可能仍然存在，蘊藏著45億年前的線索。夏威夷等地的火山可能正在釋放這些古老的化學特徵，讓我們得以一窺地球的遙遠過去。”

在淺層，熔岩比固態時的相同物質佔據更多空間。但隨著深度的增加和壓力的增加，這種差異就會減少。鐵的成分，尤其是其自旋狀態，在決定這些性質方面起著重要作用。先前的研究顯示，在類似條件下，鐵的自旋態結果不一：一些研究發現，在高壓下，鐵的自旋態發生了快速變化，而另一些研究則發現鐵的自旋態發生了更緩慢、更漸進的變化。

這項新研究首次直接觀察了鐵在極端條件下在真實熔岩中的行為。

Shim說：「雖然我們可以從岩石和化石的研究中獲得很多信息，但地球早期歷史的某些方面已經失傳，因為當時的記錄很少。這就是這項研究的獨特之處。地球的形成是一個動蕩的過程，涉及強烈的撞擊，並形成了一個全球性的熔岩層。熔岩層中的壓力是巨大的。我們透過實驗室實驗模擬當時的條件來研究這一點。”

在位於SLAC的里納相干光源（LCLS）的”極端條件下的物質”（MEC）實驗箱中，研究小組用強大的雷射對樣品進行爆破，在納秒級的時間內將固體物質轉化為矽酸鹽熔體，從而重現了地球早期岩漿海洋中的極端壓力。然後，科學家利用來自LCLS 的飛秒X 射線脈衝研究了鐵等元素在這些極端條件下的電子結構，深入了解了電子組態在不同條件下如何變化，並揭示了熔融岩漿在特定條件下確實變得比固體更緻密。

格里森說：”透過了解地球的內部動力學，我們可以完善構造運動和其他地質現象的模型。此外，由於地球各層相互關聯，這些發現對氣候科學也有影響。”

了解我們的星球

在這項研究中，研究小組主要關注低鐵含量的熔體。但當物質向地球中心傾瀉時，理論上會吸收更多的鐵，使其密度增加。為了跟進研究，研究團隊計劃研究含鐵量較高的熔體。他們也希望對含有一些水的熔體進行實驗，進一步了解地球的水循環和氣候。

這項研究還可以揭示地球地函深處的特殊地震速度。幾十年來，這些異常現像一直困擾著科學家。有些理論認為，這些區域可能是45 億年前岩漿的殘留物，而有些理論則認為，它們是構造板塊沉入地球內部，擴散低熔點物質的結果。透過使用地震成像技術對不同的假設進行比較，研究小組旨在確定這些區域的起源，並區分古代和現代物質。

“隨著技術的進步，我們正站在解決從礦物學到氣候科學等重大挑戰的最前沿，將各個研究領域聯繫在一起，”SLAC 科學家和合作者羅伯托-阿隆索-莫里（ Roberto Alonso-Mori）說。”我們能夠收集到的大量資訊改變了我們的能力。它改變了遊戲規則。與這樣一個多元化的團隊一起開發新技術並將其應用於解決緊迫的問題，是一件令人振奮的事情。 “