東京工業大學理學院地球行星科學系的太田健二副教授等與高輝度光科學研究中心（JASRI）的河口沙織主幹研究員等人組成的研究團隊宣佈，在與地核環境幾乎相同的140萬大氣壓力、6000℃的極限環境下，成功測量了類地行星核心的主要成分——液態純鐵的電導率。該成果已發表在《Physical Review Letters》上。
圖1 液態純鐵電阻率的壓力依賴性。圖頂部的顏色條表示太陽系中類地行星核心的壓力範圍。（供圖：東京工業大學）
太陽系中的類地行星（水星、金星、地球、火星）具有以液態鐵爲主要成分的核心，並透過液態核心的對流產生固有磁場。此外，主要成分爲固態鐵的核心隨着行星内部的冷卻而形成並成長。
闡明類地行星磁場有無的終極因數以及核心形成的時間是地球與行星科學中的重要課題，而理解這些問題的關鍵是液態純鐵的電導率和熱導率。然而，由於鐵樣品在熔化程序中會發生顯著變形以及與周圍物質發生反應，即使在比地球小的水星和火星的中心條件（相當於約40萬大氣壓力）下，也很難在與核心相當的壓力下對熔融態鐵的電導率進行精確測量。
迄今爲止，研究團隊一直致力於使用可以在高溫高壓狀態下維持鐵樣品的金剛石壓砧（Diamond Anvil Cell）裝置來闡明地核的物理性質。
此次，透過新設計和安裝用堅硬的藍寶石單晶覆蓋整個鐵樣品的藍寶石膠囊法，成功抑制了鐵樣品在熔化程序中的變形和化學反應。此外，還開發了一種可在毫秒級時間内測量用雷射瞬間加熱的鐵樣品的電導率、溫度和晶體結構的瞬時電阻檢測法。
圖2 （A）金剛石壓砧裝置的外觀。（B）金剛石壓砧内部相對的金剛石壓頭。（供圖：東京工業大學）
瞬時電阻檢測法是透過大型同步輻射光源SPring-8新安裝的世界最先進的高速X射線偵檢器而實施的，能夠在熔化時樣品發生變形之前測量電導率。且已經實施了囊括太陽系類地行星核心心壓力條件的35～140萬大氣壓力範圍的液態鐵電導率的測量。
研究得到的地核條件下液態純鐵的電導率結果支援了理論計算報告的電導率，由此預測的地球核心開始形成時期約爲7億年前，與之前的預想一致。此外，還明確了液態鐵在熔點下的電導率（電阻率）從約50萬大氣壓力開始急劇增加（減量）。
這意味着在水星、火星和金星、地球的核心壓力條件下，液態鐵的傳導率存在近2倍的差異，行星的冷卻速率也存在同樣的差異。透過發現類地行星的大小（内部壓力）差異是控制核心傳導率的因素之一，今後有望推動類地行星的磁場及熱演化的多樣性的理解。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Physical Review Letters
論文：Measuring the Electrical Resistivity of Liquid Iron to 1.4 Mbar
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.266301
【參考文獻】
Ohta et al., Experimental determination of the electrical resistivity of iron at Earth's core conditions. Nature 534, 95–98 (2016).
Korell et al., Paramagnetic-to-Diamagnetic Transition in Dense Liquid Iron and Its Influence on Electronic Transport Properties. Physical Review Letters 122, 086601 (2019)
