破解地球最深層秘密　鐵在行星形成中的量子作用

編譯／高晟鈞

探索極端環境中的量子特性，對於我們了解地球歷史、預測地震活動以及研究系外行星的生命潛力具有重要意義。

眾所皆知，地核就像是一顆巨大的鐵球，因此鐵的很大程度上影響著熔融岩的特性，並在地球的形成與演化中發揮至關重要的腳色。我們甚至可以說，地球的演化很大程度上就是由鐵原子的微光量子態所驅動。

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「自旋態」是鐵原子中電子的量子特性，影響其磁性行為和化學反應性。自旋狀態的變化會影響鐵的狀態（固態或是熔融態）及其電導率。

地球演化史

大約430至45億年前，地球經歷了來自小行星的強烈撞擊，並產生了巨大的熱量，以至於地球外層被熔化，形成了深熔岩海洋。

在這種巨大的撞擊壓力下，熔熔岩石將變得比固體岩石更緻密，並沉入地心，捕捉到那個時代的化學特徵。有些科學家認為，透過火山爆發，這些岩漿層的殘餘物有可能釋放含有古老化學信息的特徵，讓我們能一睹地球的過去。

熔融岩中摻雜著鐵，而鐵自旋態的變化，將很大程度上影響材料的特性。而這項研究，將是首個直接觀察極端條件下，鐵在真實熔岩中行為的研究。

模擬早期地球的極端條件

地球的行程是一個動盪的過程，涉及強烈的撞擊與導致全球熔化的岩石層。

在極端條件物質實驗室中，該團隊透過使用強大的直線加速器相干光源（LCLS）的爆破樣本，使固體發生轉變，藉此重現早期地球岩漿海洋中發現的極端壓力。在幾奈秒的時間內，材料會轉化為矽酸鹽熔體；接著，科學家透過LCLS 的飛秒 X 射線脈衝來研究鐵等元素在這些極端條件下的電子結構，深入了解電子結構在不同條件下如何變化，並揭示熔融岩漿確實比固體更緻密。

透過了解地球的內部動力學，完善各種地層構造的運動與其他地質現象，對於從礦物學到氣候科學的發展具有重要意義。

資料來源:Scitechdaily

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