中国科学家模拟揭示地球内核或处于奇异超离子态

地球深处核心的物质状态，长期以来是地球科学领域关注的焦点。现有理论推测，在极端的高温高压条件下，地球内核的物质可能存在于一种被称为“超离子态”的奇异物态中，该状态与天文学家推测存在于天王星和海王星等冰巨行星核心的超离子冰结构存在类比性。地球内核是一个半径约2500公里的铁镍球体，其中混杂着氧、硫或碳等痕量轻元素，这些元素的精确状态对理解地球动力学具有关键意义。

中国科学院（CAS）的研究团队利用量子力学的第一性原理，构建了模拟地心条件的精密计算机模型。研究结果清晰表明，当地球内部的铁合金与氢、氧、碳等轻元素处于内核的温压环境时，它们会转变为超离子态。在这种结构中，轻元素如同液体般在固态的、有序的铁晶格骨架内自由迁移，这与传统上认为的纯固态内核模型形成对比。这项成果由中国科学院地球化学研究所的研究人员李和平、何宇以及北京高压科学中心的毛河光院士等共同完成，并发表于国际权威期刊《自然》。

研究团队负责人、地球物理学家何宇将这一发现描述为“相当反常”。科学家推测，这种超离子结构能够合理解释地震学观测中发现的较低剪切波速，从而解释了内核相对“柔软”的特性。此外，该模型有望阐明内核结构随时间推移的演变机制，并为驱动地球磁场的对流电流的产生提供新的解释框架。此前对超离子冰的研究主要依赖激光驱动样品的高压高温实验，而目前对地球内核超离子态的支持，则主要来源于这种先进的从头算分子动力学模拟。

该研究团队利用“天河二号”超级计算机的强大并行计算能力，克服了模拟中常见的过热态问题，计算了铁-氢、铁-碳和铁-氧合金的性质，并获得了固态-超离子态-液态的转变相图，从而证实了该状态在内核温压下的稳定性。由于在地球中心条件下进行直接实验验证在技术上仍是巨大挑战，截至目前，超离子态仍是解释内核性质的一个前沿科学假说。这种跨越行星科学的类比，进一步凸显了理解地球核心物质状态的普遍科学意义。