近日，四川大学物理学院原子与分子物理研究所教师张友君，联合中科院精密测量院、美国卡内基研究院、伊利诺伊大学以及德州大学奥斯汀分校等，在美国科学院院刊（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.）发表了题为“Thermal conductivity of Fe-Si alloys and thermal stratification in Earth’s core”的研究论文，揭示了地核成分在相关条件下的电热输运物理性质，建立了地核的动力学模型，在地球内部物理学领域取得了重要突破。

地球的中心位于我们脚下约3000公里以下，是一个主要由铁和轻元素合金组成的金属地核，包括液态外核和固态内核。液态外核的带电对流产生了地球磁场，保护着地球免遭受来自太阳和宇宙的有害辐射。然而，迄今为止地核仍然是我们认识整个地球环节中最少的也是最难的部分之一。这是由于一方面我们不能直接获得来自于地核的样品；另一方面地核处于极端高温高压环境（压力约135-360万大气压，温度约4000-6000摄氏度）导致开展实验和理论研究较为困难。因此，关于地核的状态、物性以及磁场产生的机制仍然还有很多未解之谜。

作者利用超硬金刚石材料挤压地核的主要成分铁硅合金，结合激光加热模拟产生地核中的极端温压条件，同时通过实验和理论计算研究了地核成分铁硅合金的电热输运物理性质。实验研究发现，在极端高温高压下，在铁中掺杂硅等杂质时并不一定会降低铁的热导率，特别是当轻元素超过一定含量时（比如9%），该结果与传统认知相反。同时，理论计算结果表明，在极端温压条件下逐渐增加铁中的杂质含量，其杂质散射作用会超过电子声子间散射作用决定合金的电热传导速率随温度的变化趋势（如图）。

通过本研究获得的电热输运性质，作者进一步建立了地核的热物理和地球动力学模型。研究发现地球液态外核的顶部热流大于地球下地幔底部硅酸盐矿物的热流（Qa>Qcmb），从而会导致地核顶部产生热分层（如图）。该热分层可解释近年来地震波观测到在地核顶部100-700公里范围内的波速异常现象。此外，该热分层还会抑制外核中的热对流作用，因此当前地核的对流主要以化学对流为主。

图. 极端条件下铁合金输运性质的微观散射机制（上图）以及地核的热分层与对流示意图（下图）。地核主要由铁、镍和轻元素组成。地核中镍占比约5%，内、外地核中轻元素占比分别为2-5%以及8-10%。地核中轻元素可能包括Si、O、S、C和H等。在铁硅合金中，影响电热输运性质的微观机制主要包括电子-声子、电子-电子以及杂质散射。当硅元素达到一定含量时，硅杂质散射对铁硅合金的电热输运起到了决定作用。如果地核中含5-10%的硅元素，其热力学模型显示液态外核顶部会存在400-500公里宽的热分层。

该研究成果在2022年1月4日发表于美国国家科学院院刊。四川大学物理学院原子与分子物理研究所为第一单位，张友君为第一作者。本研究是课题组在同一领域于2020年在Phys. Rev. Lett. （125，078501，2020）上发文后的又一突破性研究成果。以上工作得到了国家自然科学基金和四川大学等支持。

全文链接: https://www.pnas.org/content/119/1/e2119001119。