超离子态介于固态和液态之间，在超离子态物质中一部分离子如液体一般快速运动，而另一部分离子如“骨架”一般固定在物质结构中。1988年人们就预测冰在高温高压下会转变成超离子态。超离子态冰电导率接近金属，可能存在于天王星和海王星内部并对其磁场产生影响。超离子态是地球和行星科学研究中的新物态，因其特殊的性质引起了广泛关注。
近期，中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压重点实验室李和平研究员、何宇研究员团队与北京高压科学中心团队合作，在地球核心的温度和压力下，对多种铁合金的性质进行了计算模拟。发现六方相铁-氢，铁-碳和铁-氧合金在内核温压下转变成为了超离子态，该研究表明地球内核并非传统认知的固态，而是由固态铁和流动的轻元素组成的超离子态。相关成果于2022年2月10日在线发表在《自然》上 。
地球内核处于极端的高温高压状态，而基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法是模拟地球深部物质状态和性质的重要研究手段，该团队利用该方法在地核温压下，对上述合金进行了计算模拟，基于前人研究结果，所选取的模型中氢、碳和氧的含量分别为0.45 wt%、1.33 wt%和1.75 wt%（对应分子式为：FeH0.25、FeC0.0625、 FeO0.0625）。发现了上述合金在温度升高至2500-3000 K时转变成了超离子态，在超离子态合金中，氢、碳、氧离子在铁“骨架”结构的间隙中快速扩散，表现出流体的特征。针对计算模拟中容易获得过热态，即计算模型在熔点之上仍然保持固态，该团队利用固-液共存法对上述合金的熔点进行了约束，计算得到，在内核压力下超离子态合金的熔点比纯铁低约为5500-6000 K。通过一系列温度和压力下的计算模拟，获得了固态-超离子态-液态转变相图，证实了超离子态合金在内核温压下的稳定性。
铁合金中碳、氢、氧离子扩散系数随着温度增加，有趣的是，在内核边界的条件下，其扩散系数在固体和熔体中几乎不变，表明轻元素的扩散性质在内外核并没有显著改变，因而轻元素的对流可能在内核中广泛存在。快速扩散的离子可能导致电导率的变化，然而根据计算，发现超离子态铁合金离子电导率相较于电子电导率低了2-3个数量级，因此由超离子态转变导致的电导率变化几乎可以忽略不计。
该团队对超离子态合金的弹性性质和地震波速进行了模拟计算，该方法充分考虑离子扩散和晶格的非谐振动，适用于超离子态体系。研究发现，超离子态转变导致合金加速软化，引起地震波速显著降低，其数值能够与地震学的观测结果很好符合。模拟结果表明，流动的轻元素杂质可以引起铁合金的软化，特别是横波波速的降低解释了内核软化之谜。
地震学研究显示，内核结构展现出复杂的异质性和各向异性特征，还存在地震波衰减和结构变化等特性。解答上述未解之谜，是认知内核结构、组成和演化的关键。超离子态内核，更新了我们对内核状态的认知，流体一般运动的轻元素为认识内核对流、各向异性结构与形成、地球内核结构与地磁场之间的关系等提供了新的线索。
该工作得到了中国科学院先导专项（XDB 18010401）、国家自然科学基金项目（42074104, 41774101, U1930401, 11774015）、中国科学院青年创新促进会基金项目（20200394）的资助。
相关论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04361-x