东京科学大学理学院地球行星科学系的长屋庆大博士生、冈崎雄祐博士生、太田健二教授，以及爱媛大学先端研究院地球深部动力学研究中心的出仓春彦讲师等人组成的研究团队，全球首次发现地球内核中铁—轻元素合金——面心立方铁氢化物（fcc FeHX）可能处于超离子状态的实验迹象。相关研究成果已发表在《Nature Geoscience》上。
图1. 根据本研究结果得出的面心立方铁氢合金（fcc FeHx）相平衡图。粗线为依据实验数据得出的部分，细线为利用模型对实验数据外推得到的部分。另外，根据本研究观测到的热膨胀系数异常所确定的固态-超离子相转变边界，采用直线拟合绘制。线条周围的斜线区域表示直线模型的误差。（供图：东京科学大学）
地球中心的内核，根据密度和地震波传播速度等观测结果，其组成被推测为除铁和镍外还含有氢、氧、碳等轻元素的合金。然而，由地震波观测得到的内核弹性性质，与实验和理论计算得出的铁-轻元素合金弹性性质并不吻合，具体原因至今未明。作为内核特殊弹性性质的成因，近年来的理论计算表明，铁-轻元素合金的超离子状态可能起着重要作用。在铁-轻元素合金的情况下，铁晶格仍保持普通固体状态，仅轻元素能够在晶格中高速迁移。由于铁-轻元素合金的超离子状态仅能在超高压、超高温环境下存在，此前从未通过实验观测到该状态。
联合研究团队在金刚石对顶砧中合成了面心立方铁氢合金（fcc FeHX）样品，并在高温高压条件下对该样品进行了X射线衍射测量。首先，在保持压力恒定的条件下改变温度，考察了由铁的晶格体积估算的氢的表观体积（ΔVH）对温度的依赖性。结果观察到，在约1500-1800K范围内，ΔVH出现阶段性增大的λ型热膨胀异常。该现象在其他物质发生超离子相变时同样能够观测到。
此外，在对fcc FeHX施加电压的状态下保持压力恒定并升高温度，结果发现在约1600K附近，样品中的氢分布发生了急剧变化。将样品快速冷却后进行X射线衍射映射技术分析，确认氢在阳极侧富集，在阴极侧则变得稀薄。这表明氢正在以高速度响应电场而发生迁移，是铁氢合金处于超离子状态的重要旁证。
根据该实验结果估算的内核条件下氢的迁移率，发现其低于理论计算预测的值。按实验值计算，要使内核中的氢达到热力学平衡状态，所需时间将远超地球的年龄。本次研究结果表明，即便铁氢合金进入超离子态，以地球演化的时间尺度来看，氢元素也几乎无法在整个地球内核范围内发生长距离扩散。
根据太阳中元素的丰度、陨石组成以及初期地球元素分配模型等研究，地球内核除氢外，还被认为含有碳、氧、硅、硫等多种轻元素。因此，要回答“内核是否处于超离子状态”这一问题，还需要对这些其他轻元素进行高温高压实验。期待将本次采用的、通过关注热膨胀率和轻元素迁移率来确认并量化铁-轻元素合金向超离子状态相变的方法，推广应用于其他铁-轻元素合金体系。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Geoscience
论文：Experimental indications of superionic behaviour in iron hydride under Earth’s core conditions
DOI：10.1038/s41561-026-02001-5
