Mô Phỏng Lượng Tử Gợi Ý Lõi Trong Trái Đất Mang Đặc Tính Siêu Ion

Các mô phỏng tiên tiến gần đây củng cố giả thuyết khoa học cho rằng vật chất cấu tạo nên lõi trong cùng của Trái Đất không hoàn toàn ở trạng thái rắn thông thường mà thể hiện các đặc tính của trạng thái siêu ion. Trạng thái vật chất này, được suy đoán tồn tại trong lõi các hành tinh khí khổng lồ như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, cho phép các nguyên tố nhẹ di chuyển tự do như chất lỏng bên trong một mạng lưới sắt rắn.

Lõi trong của Trái Đất là một khối cầu hợp kim sắt-nickel với bán kính xấp xỉ 2.500 km. Các nhà địa vật lý đã từ lâu suy đoán về sự hiện diện của các nguyên tố nhẹ như oxy, lưu huỳnh, hoặc carbon do mật độ của lõi thấp hơn sắt nguyên chất. Các nhà nghiên cứu từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ và Khoa học Áp suất Cao Bắc Kinh, đã sử dụng các mô hình động lực học phân tử dựa trên lý thuyết cơ học lượng tử để tái tạo môi trường khắc nghiệt tại trung tâm hành tinh.

Những mô phỏng *ab initio* này chỉ ra rằng các hợp kim sắt pha trộn với các nguyên tố nhẹ như hydrogen, oxygen, và carbon sẽ chuyển đổi sang trạng thái siêu ion dưới áp suất và nhiệt độ cực lớn của lõi trong. Trong cấu trúc này, các ion của nguyên tố nhẹ được mô tả là di chuyển linh hoạt, tương tự trạng thái lỏng, xen kẽ trong một mạng tinh thể sắt có trật tự, giống như chất rắn. Tiến sĩ Yu He, nhà địa vật lý đứng đầu nhóm nghiên cứu tại CAS, nhận định phát hiện này là “khá bất thường” so với các mô hình trước đây.

Cấu trúc siêu ion được đề xuất là lời giải thích hợp lý cho hiện tượng tốc độ sóng cắt thấp được ghi nhận qua các phương pháp địa chấn học, điều này giải thích cho độ mềm tương đối của lõi trong. Hơn nữa, mô hình này có tiềm năng làm sáng tỏ những thay đổi cấu trúc diễn ra trong lõi theo thời gian, cũng như cơ chế tạo ra các dòng đối lưu thiết yếu cho việc duy trì từ trường bảo vệ Trái Đất. Mặc dù các thí nghiệm ban đầu đã sử dụng mẫu vật được chiếu xạ bằng laser dưới áp suất và nhiệt độ cao, bằng chứng hỗ trợ mạnh mẽ nhất cho mô hình siêu ion hiện tại vẫn chủ yếu đến từ các mô phỏng cơ học lượng tử.

Việc xác thực trực tiếp các điều kiện cực đoan này trong phòng thí nghiệm vẫn là một thách thức công nghệ không thể vượt qua tính đến cuối năm 2025, khiến trạng thái siêu ion trở thành một giả thuyết khoa học hàng đầu trong lĩnh vực khoa học Trái Đất. Sự tồn tại của lõi trong, được nhà địa chấn học Inge Lehmann phát hiện vào năm 1936 với bán kính ước tính khoảng 1.220 km, là một bước ngoặt trong việc hiểu cấu trúc Trái Đất. Việc nghiên cứu trạng thái vật chất của lõi trong thông qua các mô phỏng dựa trên nguyên lý cơ học lượng tử đại diện cho một bước tiến quan trọng trong việc giải mã các quá trình địa động lực học sâu bên trong hành tinh.