[論文レビュー] Prediction of novel stable compounds in the Mg-Si-O system under exoplanet pressures

Haiyang Niu, Artem R. Oganov+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2015

High-pressure geophysics and materials参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

量子可変組成進化的構造探索を用いて、この研究では、マグナサイズ超系外惑星に相当する極端な圧力下で、新しい安定なMg-Si-O化合物を予測した。主な発見として、0.51 TPaを超える圧力で安定化するSiO3、1.89 TPaを超える圧力で安定化するSiO、0.89 TPaを超える圧力で安定化するMgO3、およびそれぞれ2.41 TPaおよび2.95 TPaを超える圧力で安定化する高酸化度のMgSi3O12とMgSiO6が得られ、これはスーパーアースの複雑な酸化物マントルの可能性を示している。

ABSTRACT

The Mg-Si-O system is the major Earth and rocky planet-forming system. Here, through quantum variable-composition evolutionary structure explorations, we have discovered several unexpected stable binary and ternary compounds in the Mg-Si-O system. Besides the well-known SiO2 phases, we have found two extraordinary silicon oxides, SiO3 and SiO, which become stable at pressures above 0.51 TPa and 1.89 TPa, respectively. In the Mg-O system, we have found one new compound, MgO3, which becomes stable at 0.89 TPa. We find that not only the (MgO)x(SiO2)y compounds, but also two (MgO3)x(SiO3)y compounds, MgSi3O12 and MgSiO6, have stability fields above 2.41 TPa and 2.95 TPa, respectively. The highly oxidized MgSi3O12 can form in deep mantles of mega-Earths with masses above 20 M+ (M+:Earth's mass). Furthermore, the dissociation pathways of pPv-MgSiO3 are also clarified, and found to be different at low and high temperatures. The low-temperature pathway is MgSiO3 -> Mg2SiO4 + MgSi2O5 -> SiO2 + Mg2SiO4 -> MgO + SiO2, while the high-temperature pathway is MgSiO3 -> Mg2SiO4 + MgSi2O5 -> MgO + MgSi2O5 -> MgO + SiO2. Present results are relevant for models of the internal structure of giant exoplanets, and for understanding the high-pressure behavior of materials.

研究の動機と目的

• 岩石系系外惑星に相当する極端な圧力下におけるMg-Si-O系の安定化合物を予測すること。
• 惑星内部におけるケイ酸塩および酸化物材料の高圧相安定性を理解すること。
• 巨大系外惑星の深部マントルにおいて、MgSi3O12のような高酸化度化合物が形成可能かどうかを調査すること。
• pPv-MgSiO3の解離経路が異なる温度条件下でどのように変化するかを明らかにすること。
• 巨大系外惑星の内部構造モデルの改善に役立つ材料データを提供すること。

提案手法

• Mg-Si-O組成空間全域における安定相を探索するために、量子的可変組成進化的構造探索（XC-ES）を採用した。
• 高圧下での生成エネルギーおよび熱力学的安定性を評価するために、密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• 圧力が3 TPaに達するまで、Mg-Si-O系のバイナリおよびテナリ系化合物を体系的に探索した。
• 異なる組成における生成エネルギーとフォノン安定性を比較することで、安定相を同定した。
• 低温度および高温度条件下におけるMgSiO3の相転移および解離経路を追跡した。
• 極端な条件下での安定性をエネルギー分解および熱力学的解析によって検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 TPaを超える圧力下で、Mg-Si-O系にどのような新しい安定化合物が形成されるのか。これは、スーパーアース内部に典型的に見られる圧力条件である。
• RQ2 SiO3、SiO、MgO3のような高酸化度相が、どの圧力で熱力学的に安定化するのか。
• RQ3 2.4 TPaを超える圧力下にある巨大系外惑星の深部マントルで、MgSi3O12 や MgSiO6 が形成可能なのか。
• RQ4 低温度と高温度条件下で、pPv-MgSiO3 の解離経路にどのような違いが生じるのか。
• RQ5 これらの新しい相が、マグナサイズ地球の内部構造および鉱物学にどのような意味を持つのか。

主な発見

• SiO3は0.51 TPaを超える圧力で安定化し、新規の高圧ケイ酸化物相を示している。
• SiOは1.89 TPaを超える圧力で安定化すると予測され、ケイ酸化物における新しい化学 Stoichiometry を示している。
• MgO3は0.89 TPaを超える圧力で安定化合物として形成され、マグネシウム酸化物の既知の化学組成を拡張している。
• 高酸化度のマグネシウムケイ酸塩であるMgSi3O12は2.41 TPaを超える圧力で安定化し、スーパーアースのマントルにおける形成可能性を示唆している。
• MgSiO6は2.95 TPaを超える圧力で安定化しており、極めて高い酸化状態を持つ複雑なケイ酸塩が極端な圧力下に存在可能であることを示している。
• pPv-MgSiO3の解離は、低温度と高温度条件下で異なる経路をたどり、それぞれ異なる中間相を形成する。