[論文レビュー] Phase transitions and spin-state of iron in FeO at the conditions of Earth's deep interior

Eran Greenberg, Roman Nazarov+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

High-pressure geophysics and materials参考文献 44被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、深部地球環境（最大140 GPaおよび2100 K）におけるFeOのスピン状態および構造的転移を解明するために、X線回折、X線発光分光法、およびDFT+DMFT計算を統合した。核マントル境界近辺で金属的高スピン鉄を示す高圧・高温相が同定され、弾性および輸送特性が顕著に変化し、地球の下部マントルにおける地震的異常を説明する可能性がある。

ABSTRACT

Iron-bearing oxides undergo a series of pressure-induced electronic, spin and structural transitions that can cause seismic anomalies and dynamic instabilities in Earth's mantle and outer core. We employ x-ray diffraction and x-ray emission spectroscopy along with state-of-the-art density functional plus dynamical mean-field theory (DFT+DMFT) to characterize the electronic structure and spin states, and crystal-structural properties of wüstite (Fe$_{1-x}$O) -- a basic oxide component of Earth's interior -- at high pressure-temperature conditions up to 140 GPa and 2100 K. We find that FeO exhibits complex polymorphism under pressure, with abnormal compression behavior associated with electron-spin and crystallographic phase transitions, and resulting in a substantial change of bulk modulus. Our results reveal the existence of a high-pressure phase characterized by a metallic high-spin state of iron at about the pressure-temperature conditions of Earth's core-mantle boundary. The presence of high-spin metallic iron near the base of the mantle can significantly influence the geophysical and geochemical properties of Earth's deep interior.

研究の動機と目的

• 地球の深部に存在する主要成分たるFeOの高圧相図および電子構造に関する長年の論争を解消すること。
• 極限条件下におけるFeOにおける結晶構造、スピン状態転移、および電子相関の相乗的な相互作用を特定すること。
• FeO中の鉄が圧力下で高スピンから低スピンに転移するかどうか、およびその影響が体積弾性率と地震的性質にどのように及ぶかを明らかにすること。
• 核マントル境界近辺のD"領域における金属的高スピンFeOの地球物理学的意義を評価すること。
• FeOのスピン状態および相転移に関する、過去の実験的・理論的結果の矛盾を解消すること。

提案手法

• X線回折（XRD）を用いて、140 GPaまで圧力をかけ、2100 Kまで加熱した状態でのFeOの結晶構造を同定した。
• X線発光分光法（XES）を用いて、鉄の電子配置およびスピン状態を測定し、特に低スピン状態の特徴として知られるKβ肩に注目した。
• 密度汎関数理論と動的平均場理論の組み合わせ（DFT+DMFT）を用いて、電子相関、スピン状態転移、および電子構造の変化をモデル化した。
• アドバンスドフォトンソースのビームライン施設（GeoSoilEnviroCARSおよびHPCAT）を用い、大型ボリュームプレスを用いた同時高圧・高温度実験を実施した。
• 理論的計算を実験データと照合することで、高スピン状態と低スピン状態の区別を図り、構造的相転移を評価した。
• データ解析は、相境界の同定、スピン状態の進化、および相転移に伴う体積弾性率の変化に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeOは高圧・高温度下で高スピンから低スピンに転移するか？ もし転移するならば、どのような条件下で発生するか？
• RQ2 地球の核マントル境界に相当する圧力・温度条件下におけるFeOの結晶構造は何か？
• RQ3 FeOにおけるスピン状態転移が、体積弾性率および弾性特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 70 GPaおよび1300 Kを超える圧力下で報告された低スピンB1相が、実験的に確認されたか？
• RQ5 極限条件下におけるFeOにおいて、電子相関と構造的歪みがどの程度分離するか？

主な発見

• 地球の核マントル境界に相当する条件下で、鉄が金属的高スピン状態を維持する、新規の高スピンB1型相がFeOに存在することが判明した。この相は140 GPaおよび2050 Kまで安定である。
• rB1からB1への相転移は高温（1800 K以上）で発生し、鉄は完全に高スピン状態に保たれる。これは、高圧・高温度下で低スピンB1相が存在するとの従来の報告とは矛盾する。
• 構造的転移とスピン状態転移が連携することで体積弾性率に顕著な変化が観察され、高スピンから低スピンへの転移では音速が約10%増加し、B8からB2への転移では約5%減少した。
• XES測定ではKβ肩の消失が確認されず、高圧・高温度下でも低スピン状態が存在しないことが示され、過去の研究との不一致が解消された。
• rB1からB1への変化に伴い結晶場分裂の変化が鉄のスピン状態に影響を及ぼすことが判明し、構造的転移とスピン状態転移が分離していることが示された。
• DFT+DMFT計算により、核マントル境界条件下で高スピン金属相が安定であることが確認され、地震的異常や熱フラックスの変動に寄与する可能性があることが裏付けられた。