[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究结合X射线衍射、X射线发射谱学及DFT+DMFT计算，研究了铁在深地球条件（最高140 GPa和2100 K）下在FeO中的自旋态与结构转变。研究识别出在地核-地幔边界附近存在一种高压高温相的FeO，其中铁保持金属高自旋态，显著改变其弹性与输运性质，可能解释地球下地幔中的地震异常现象。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于FeO在高压下相图与电子结构的争议，FeO是地球深部的关键组分。
• 确定在极端条件下FeO中晶体结构、自旋态转变与电子关联之间的相互作用。
• 澄清铁在FeO中是否在压力下发生高自旋到低自旋转变，以及该转变如何影响体模量与地震性质。
• 评估在地核-地幔边界附近D"区域金属高自旋FeO的地球物理影响。
• 调和先前关于FeO自旋态与相变的实验与理论结果之间的矛盾。

提出的方法

• 采用X射线衍射（XRD）测定FeO在最高140 GPa压力与最高2100 K温度下的晶体结构。
• 采用X射线发射谱学（XES）测量铁的电子构型与自旋态，特别关注Kβ肩峰作为低自旋态的特征信号。
• 采用密度泛函理论结合动态平均场理论（DFT+DMFT）模拟电子关联、自旋态转变与电子结构变化。
• 在先进光束线设施（GeoSoilEnviroCARS与HPCAT）的大型压腔装置上，同步开展高压高温实验。
• 通过实验数据验证理论计算，以区分高自旋与低自旋态，并评估结构相变。
• 数据分析聚焦于识别相边界、自旋态演化以及相变过程中体模量的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 FeO在高压高温条件下是否发生从高自旋到低自旋的转变？若发生，其条件为何？
• RQ2 在与地球核-地幔边界相关的压力与温度下，FeO的晶体结构为何？
• RQ3 FeO中自旋态转变如何影响其体模量与弹性性质？
• RQ4 先前报道的在70 GPa以上与1300 K以上存在的低自旋B1相是否在实验上得到证实？
• RQ5 在极端条件下，FeO中电子关联与结构畸变在多大程度上发生解耦？

主要发现

• 在与地球核-地幔边界相关的条件下，FeO表现出一种新型高自旋B1型相，其中铁在高达140 GPa与2050 K下仍保持金属高自旋态。
• rB1到B1的相变发生在高温（高于1800 K）条件下，铁完全处于高自旋态，与先前报道的高压高温下存在低自旋B1相的结果相矛盾。
• 由于结构与自旋态转变的耦合，体模量发生显著变化，高自旋到低自旋转变过程中声速增加约10%，B8到B2转变过程中声速减少约5%。
• XES测量未显示Kβ肩峰消失，表明在高压高温下不存在低自旋态，解决了与早期研究的矛盾。
• 在rB1到B1转变过程中，铁的自旋态对晶体场分裂变化敏感，表明结构转变与自旋态转变发生了解耦。
• DFT+DMFT计算证实，在核-地幔边界条件下，高自旋金属相稳定存在，支持其在地震异常与热流变化中的潜在作用。