东京工业大学理学院地球行星科学系的太田健二副教授等与高亮度光科学研究中心（JASRI）的河口沙织主干研究员等人组成的研究团队宣布，在与地核环境几乎相同的140万大气压、6000℃的极限环境下，成功测量了类地行星核心的主要成分——液态纯铁的电导率。该成果已发表在《Physical Review Letters》上。
图1 液态纯铁电阻率的压力依赖性。图顶部的颜色条表示太阳系中类地行星核心的压力范围。（供图：东京工业大学）
太阳系中的类地行星（水星、金星、地球、火星）具有以液态铁为主要成分的内核，并通过液态内核的对流产生固有磁场。此外，主要成分为固态铁的内核随着行星内部的冷却而形成并生长。
阐明类地行星磁场有无的原因以及内核形成的时间是地球与行星科学中的重要课题，而理解这些问题的关键是液态纯铁的电导率和热导率。然而，由于铁样品在熔化过程中会发生显著变形以及与周围物质发生反应，即使在比地球小的水星和火星的中心条件（相当于约40万大气压）下，也很难在与核心相当的压力下对熔融态铁的电导率进行精确测量。
迄今为止，研究团队一直致力于使用可以在高温高压状态下维持铁样品的金刚石压砧（Diamond Anvil Cell）装置来阐明地核的物理性质。
此次，通过新设计和安装用坚硬的蓝宝石单晶覆盖整个铁样品的蓝宝石胶囊法，成功抑制了铁样品在熔化过程中的变形和化学反应。此外，还开发了一种可在毫秒级时间内测量用激光瞬间加热的铁样品的电导率、温度和晶体结构的瞬时电阻检测法。
图2 （A）金刚石压砧装置的外观。（B）金刚石压砧内部相对的金刚石压头。（供图：东京工业大学）
瞬时电阻检测法是通过大型同步辐射光源SPring-8新安装的世界最先进的高速X射线检测器而实现的，能够在熔化时样品发生变形之前测量电导率。且已经实现了囊括太阳系类地行星内核心压力条件的35～140万大气压范围的液态铁电导率的测量。
研究得到的地核条件下液态纯铁的电导率结果支持了理论计算报告的电导率，由此预测的地球内核开始形成时期约为7亿年前，与之前的预想一致。此外，还明确了液态铁在熔点下的电导率（电阻率）从约50万大气压开始急剧增加（减少）。
这意味着在水星、火星和金星、地球的内核压力条件下，液态铁的传导率存在近2倍的差异，行星的冷却速度也存在同样的差异。通过发现类地行星的大小（内部压力）差异是控制内核传导率的因素之一，今后有望推动类地行星的磁场及热演化的多样性的理解。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Physical Review Letters
论文：Measuring the Electrical Resistivity of Liquid Iron to 1.4 Mbar
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.266301
【参考文献】
Ohta et al., Experimental determination of the electrical resistivity of iron at Earth's core conditions. Nature 534, 95–98 (2016).
Korell et al., Paramagnetic-to-Diamagnetic Transition in Dense Liquid Iron and Its Influence on Electronic Transport Properties. Physical Review Letters 122, 086601 (2019)
