[논문 리뷰] Phase transitions and spin-state of iron in FeO at the conditions of Earth's deep interior

Eran Greenberg, Roman Nazarov외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 44인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 심지역 조건(최대 140 GPa 및 2100 K)에서 철의 스핀 상태 및 구조 전이를 조사하기 위해 X선 회절, X선 발광 분광법 및 DFT+DMFT 계산을 통합한다. 핵마그나토스피어 경계 근처에서 금속성 고스핀 철을 포함하는 고압·고온 상의 FeO가 존재함을 규명하였으며, 이는 탄성 및 전도성 특성을 크게 변화시키며 지구의 하부 맨틀에서 관측되는 지질학적 비정상 현상에 기여할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지구의 깊은 내부의 핵심 구성 요소인 FeO의 고압 상도표 및 전자 구조에 대한 오랫동안 놓인 논란을 해결하기 위해.
• 극한 조건에서 FeO의 결정 구조, 스핀 상태 전이 및 전자 상관관계 간의 상호작용을 규명하기 위해.
• 압력 조건에서 FeO 내 철이 고스핀에서 저스핀 상태로 전이되는지, 그리고 이 전이가 부피 모odulus 및 지구물리적 성질에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 핵-맨틀 경계 근처 D" 영역에서 금속성 고스핀 FeO가 지닌 지구물리적 함의를 평가하기 위해.
• 이전 실험 및 이론적 결과 간의 모순을 해소하기 위해 FeO의 스핀 상태 및 상 전이에 대한 기존 연구 결과를 재검토하기 위해.

제안 방법

• X선 회절(XRD)을 사용하여 최대 140 GPa 및 2100 K의 압력과 온도에서 FeO의 결정 구조를 규명하였다.
• X선 발광 분광법(XES)을 통해 철의 전자 구조 및 스핀 상태를 측정하였으며, 특히 저스핀 상태의 특징으로서 Kβ 어깨의 존재 여부를 중점적으로 분석하였다.
• 전자 상관관계, 스핀 상태 전이 및 전자 구조 변화를 모델링하기 위해 밀도함수이론과 동적 평균장이론의 융합(DFT+DMFT)을 적용하였다.
• 고압 및 고온 동시 실험은 암시광원(Advanced Photon Source)의 빔라인 시설(GeoSoilEnviroCARS 및 HPCAT)에서 대용적 압축장치를 사용하여 수행되었다.
• 이론적 계산 결과를 실험 데이터와 대조하여 고스핀과 저스핀 상태를 구분하고, 구조적 상 전이를 평가하였다.
• 데이터 분석은 상 경계, 스핀 상태의 변화, 전이에 따른 부피 모odulus 변화를 중심으로 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeO는 고압 및 고온 조건에서 고스핀에서 저스핀 상태로 전이되는가? 만약 그렇다면 어떤 조건에서 이루어지는가?
• RQ2 지구의 핵-맨틀 경계에 해당하는 압력과 온도 조건에서 FeO의 결정 구조는 무엇인가?
• RQ3 FeO의 스핀 상태 전이가 부피 모odulus 및 탄성 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 70 GPa 이상 및 1300 K 이상에서 보고된 이전의 저스핀 B1 상이 실험적으로 확인되었는가?
• RQ5 극한 조건에서 전자 상관관계와 구조적 비대칭이 얼마나 분리되어 나타나는가?

주요 결과

• 지구의 핵-맨틀 경계 조건에 해당하는 조건에서 FeO는 새로운 고스핀 B1 유형의 상을 나타내며, 철은 최대 140 GPa 및 2050 K까지 금속성 고스핀 상태를 유지한다.
• rB1에서 B1으로의 상 전이는 고온(1800 K 이상)에서 발생하며, 철은 완전히 고스핀 상태에 있다. 이는 이전 연구에서 고압·고온 조건에서 저스핀 B1 상이 존재한다는 보고와 정반대된다.
• 구조 전이와 스핀 상태 전이의 결합으로 인해 부피 모odulus에 상당한 변화가 관찰되었으며, 고스핀에서 저스핀 전이 시 음속이 약 10% 증가하고, B8에서 B2로의 전이 시 약 5% 감소하였다.
• XES 측정 결과 Kβ 어깨가 사라지지 않아 고압·고온 조건에서도 저스핀 상태가 존재하지 않음을 확인하였으며, 이는 이전 연구와의 모순을 해결하였다.
• rB1에서 B1으로의 전이 과정에서 결정장 분리의 변화에 따라 철의 스핀 상태가 민감하게 반응함을 확인하였으며, 이는 구조 전이와 스핀 상태 전이 간의 분리(디커플링)를 시사한다.
• DFT+DMFT 계산 결과, 핵-맨틀 경계 조건에서 고스핀 금속성 상이 안정함을 확인하였으며, 이는 지구 내부의 지질학적 비정상 현상 및 열류 변화에 기여할 가능성이 있음을 뒷받침한다.