東京科學大學理學院地球行星科學系的長屋慶大博士生、岡崎雄祐博士生、太田健二教授，以及愛媛大學先端研究院地球深部動力學研究中心的出倉春彥講師等人組成的研究團隊，全球首次發現地球內核中鐵—輕元素合金——面心立方鐵氫化物（fcc FeHX）可能處於超離子狀態的實驗跡象。相關研究成果已發表在《Nature Geoscience》上。
圖1. 根據本研究結果得出的面心立方鐵氫合金（fcc FeHx）相平衡圖。粗線為依據實驗數據得出的部分，細線為利用模型對實驗數據外插得到的部分。另外，根據本研究觀測到的熱膨脹係數異常所確定的固態-超離子相轉變邊界，採用直線擬合繪製。線條周圍的斜線區域表示直線模型的誤差。（供圖：東京科學大學）
地球中心的內核，根據密度和地震波傳播速度等觀測結果，其組成被推測為除鐵和鎳外還含有氫、氧、碳等輕元素的合金。然而，由地震波觀測得到的內核彈性性質，與實驗和理論計算得出的鐵-輕元素合金彈性性質並不吻合，具體原因至今未明。作為內核特殊彈性性質的成因，近年來的理論計算表明，鐵-輕元素合金的超離子狀態可能起著重要作用。在鐵-輕元素合金的情況下，鐵晶格仍保持普通固體狀態，僅輕元素能夠在晶格中高速遷移。由於鐵-輕元素合金的超離子狀態僅能在超高壓、超高溫環境下存在，此前從未通過實驗觀測到該狀態。
聯合研究團隊在金剛石對頂砧中合成了面心立方鐵氫合金（fcc FeHX）樣品，並在高溫高壓條件下對該樣品進行了X射線繞射測量。首先，在保持壓力恆定的條件下改變溫度，考察了由鐵的晶格體積估算的氫的視體積（ΔVH）對溫度的依賴性。結果觀察到，在約1500-1800K範圍內，ΔVH出現階段性增大的λ型熱膨脹異常。該現象在其他物質發生超離子相變時同樣能夠觀測到。
此外，在對fcc FeHX施加電壓的狀態下保持壓力恆定並升高溫度，結果發現在約1600K附近，樣品中的氫分佈發生了急劇變化。將樣品快速冷卻後進行X射線繞射映射技術分析，確認氫在陽極側富集，在陰極側則變得稀薄。這表明氫正在以高速度響應電場而發生遷移，是鐵氫合金處於超離子狀態的重要旁證。
根據該實驗結果估算的內核條件下氫的遷移率，發現其低於理論計算預測的值。按實驗值計算，要使內核中的氫達到熱力學平衡狀態，所需時間將遠超地球的年齡。本次研究結果表明，即便鐵氫合金進入超離子態，以地球演化的時間尺度來看，氫元素也幾乎無法在整個地球內核範圍內發生長距離擴散。
根據太陽中元素的豐度、隕石組成以及初期地球元素分配模型等研究，地球內核除氫外，還被認為含有碳、氧、矽、硫等多種輕元素。因此，要回答「內核是否處於超離子狀態」這一問題，還需要對這些其他輕元素進行高溫高壓實驗。期待將本次採用的、通過關注熱膨脹率和輕元素遷移率來確認並量化鐵-輕元素合金向超離子狀態相變的方法，推廣應用於其他鐵-輕元素合金體系。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Geoscience
論文：Experimental indications of superionic behaviour in iron hydride under Earth’s core conditions
DOI：10.1038/s41561-026-02001-5
