Der erdrückende Druck und die hohen Temperaturen im tiefen Inneren der Erde drücken Atome und Elektronen so eng zusammen, dass sie sehr unterschiedlich interagieren. Mit der Tiefe ändern sich die Materialien. Neue Experimente und Supercomputer-Berechnungen haben gezeigt, dass Eisenoxid unter tiefen Erdbedingungen eine neue Art von Übergang durchläuft. Eisenoxid, FeO, ist ein Bestandteil des zweithäufigsten Minerals im unteren Erdmantel, Ferroperiklas.
Der Befund, der in einer kommenden Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht wird, könnte unser Verständnis der Tiefendynamik der Erde und des Verh altens des schützenden Magnetfelds verändern, das unseren Planeten vor schädlicher kosmischer Strahlung schützt.
Ferroperiklas enthält sowohl Magnesium als auch Eisenoxid. Um die extremen Bedingungen im Labor nachzuahmen, untersuchte das Team, dem auch Co-Autor Ronald Cohen vom Geophysical Laboratory in Carnegie angehörte, die elektrische Leitfähigkeit von Eisenoxid bei Drücken und Temperaturen bis zum 1,4-Millionen-fachen des atmosphärischen Drucks und 4000 °F – auf Augenhöhe mit den Bedingungen im Kern - Mantelgrenze. Sie verwendeten auch eine neue Berechnungsmethode, die nur grundlegende Physik verwendet, um die komplexen Vielteilchen-Wechselwirkungen zwischen Elektronen zu modellieren. Sowohl die Theorie als auch die Experimente sagen eine neue Art der Metallisierung in FeO voraus.
Verbindungen unterliegen typischerweise strukturellen, chemischen, elektronischen und anderen Veränderungen unter diesen Extremen. Entgegen früherer Annahmen ging das Eisenoxid bei 690.000 Atmosphären und 3000°F aus einem isolierenden (nicht elektrisch leitenden) Zustand in ein hochleitendes Metall über, jedoch ohne Änderung seiner Struktur. Frühere Studien gingen davon aus, dass die Metallisierung in FeO mit einer Veränderung seiner Kristallstruktur einherging. Dieses Ergebnis bedeutet, dass Eisenoxid je nach Temperatur- und Druckbedingungen sowohl ein Isolator als auch ein Metall sein kann.
"Bei hohen Temperaturen sind die Atome in Eisenoxidkristallen in der gleichen Struktur angeordnet wie gewöhnliches Kochsalz, NaCl", erklärte Cohen. „Genau wie Kochsalz ist FeO bei Umgebungsbedingungen ein guter Isolator – es leitet keinen Strom. Ältere Messungen zeigten eine Metallisierung in FeO bei hohen Drücken und Temperaturen, aber man dachte, dass sich eine neue Kristallstruktur bildete. Unsere neuen Ergebnisse zeigen es stattdessen, dass FeO ohne Strukturänderung metallisiert und dass kombinierte Temperatur und Druck erforderlich sind. Darüber hinaus zeigt unsere Theorie, dass sich die Elektronen so verh alten, dass es metallisch wird, sich von anderen Materialien unterscheidet, die metallisch werden."
"Die Ergebnisse implizieren, dass Eisenoxid im gesamten Bereich seiner Stabilität im unteren Erdmantel leitet." Cohen fährt fort: "Die metallische Phase verstärkt die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem flüssigen Kern und dem unteren Mantel. Dies hat Auswirkungen auf das Magnetfeld der Erde, das im äußeren Kern erzeugt wird. Es wird die Art und Weise verändern, wie sich das Magnetfeld zur Erdoberfläche ausbreitet, weil es eine magnetomechanische Kopplung zwischen Erdmantel und Erdkern herstellt."
"Die Tatsache, dass ein Mineral so völlig unterschiedliche Eigenschaften hat - abhängig von seiner Zusammensetzung und wo es sich innerhalb der Erde befindet - ist eine bedeutende Entdeckung", schloss Russell Hemley, Direktor des Geophysical Laboratory.
