北京高压科学研究中心研究员胡清扬、Duckyoung Kim和刘锦带领的团队，利用理论计算和实验相结合的方法首次发现：地球深部的含水矿物——羟基氧化铁（FeO2H）会在约75万大气压、1500摄氏度以上时进入超离子态，而这个温度和压力范围覆盖了下地幔深部的大部分区域。相关工作近期发表于《自然—地球科学》杂志。
深下地幔高导电的超离子态
约30年前有理论预测，水（H2O）在极端高温高压条件下会进入一种介于固态冰与液态水之间的新形态——超离子态。这种形态下，水分子中的氢原子会脱离晶格的束缚而在固体氧原子晶格中像液体一样自由扩散，从而使固态冰由绝缘体向导体转变。这种理论预测的“超离子态冰”直到2018年才被科学家采用光导率测量的实验方法证实。
不同于超离子冰中的固体氧晶格，地球下地幔矿物主要由镁、铁、硅和氧等原子组成晶格。在地球内部高温高压环境下，氢原子能否像在氧晶格中一样在复杂的含水矿物晶格中自由流动而形成超离子态？这一问题的答案对于理解地球内部的物质循环、热量传导、磁场状态、电场状态和氢元素的循环等具有深刻的影响。
上述研究团队首先通过理论计算发现在超离子态下，自由移动的氢离子会导致FeO2H的电导率在相变点突然增加。随后通过高温高压下的电导率测量，他们发现在100万-121万大气压下，当FeO2Hx被加热到1500-1700摄氏度时，其电导率增大了两倍。高温促使氢离子像自由电子一样在FeO2晶格中自由移动，从而使电导率急剧增加。电导率的突变是超离子态最直接最强有力的证据，因此研究人员认为FeO2Hx在此温度压力条件下进入了超离子态。
FeO2H是地幔深部首个被发现的超离子态含水矿物。传统上认为受制于固体相的高黏性，地幔对流是很慢的，时常需要以万年甚至百万年为单位的地幔内部的活动。超离子态氢类似于液体，在高温下能进行高速扩散运动。它不但能快速传递热能，同时由于氢具有质量，因而也是物质传输的载体。这一发现将使得地幔对流速率比以往提升数个数量级，并对于地球内部的物质和能量循环产生巨大的改变。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41561-021-00696-2
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