First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
本研究利用第一性原理计算表征了地球外核条件下液态铁-硫合金的结构、动力学和热力学性质，结果表明，尽管 10.2 至 11.4 wt% 的硫浓度可以解释地核的密度，但无法解释其声速，从而表明硫本身不能是存在的唯一轻元素。
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就在我们的脚下深处，远离直接视野，隐藏着一个翻腾的金属海洋，它驱动着地球磁场的产生并塑造着地球内部的热量。这就是外核，这是一个液态铁层，从与固体内核的边界一直延伸到上方的地幔。虽然我们无法钻入这个区域，但地震学家可以倾听地球振动穿过该区域时的声音，就像医生利用声波观察人体内部一样。这些测量结果表明，液态核的密度比在那种极高压环境下纯铁应有的密度要低，这暗示其中混合了较轻的元素。几十年来，科学家们一直在争论这些较轻的元素——或许是氧、硅或硫——究竟哪一个是这种宇宙“汤”中的主要成分。了解准确的配方至关重要，因为核心的密度和声速能告诉我们地球是如何产生其磁屏蔽层的，以及它是如何在数十亿年间冷却的。
一支研究团队现在转向了强大的计算机模拟来解决这个谜题中的一部分，特别关注硫。他们使用一种基于基本物理定律计算原子行为的方法，模拟了在符合外核极端压力和温度条件下的液铁与不同量硫的混合物。他们并没有依赖于在如此深处极难进行的物理实验，而是建立了一个虚拟实验室，在那里他们可以观察铁原子和硫原子如何运动、结合以及相互作用。他们测试了从纯铁到含硫量接近重量百分之十五的各种混合物，观察这些变化如何影响材料的性质。
模拟显示，随着硫的加入，液态铁中的原子会重新排列。由于硫原子体积更小且更轻，它们与铁形成了更紧密的键合，使原子间的平均距离缩短。这种结构性的转变对材料的性质产生了明显的影响：混合物的密度下降，而声波在其中的传播速度却增加了。研究人员发现，压力在改变这些性质方面起到的作用远大于硫含量的作用，但硫的存在仍然留下了独特的印记。通过将他们的模拟结果与来自地球核心的真实地震数据进行对比，他们能够缩小硫可能存在的含量范围。
研究表明，如果硫是混合在核心中的唯一轻元素，其重量占比需要大约在百分之十到百分之十一之间，才能与观测到的密度相匹配。这一特定浓度符合地震学中关于核心质量的测量结果。然而，当研究人员观察声速时，出现了一个显著的问题。在相同的硫浓度下，模拟出的声波速度比地震学家实际测量到的速度要快。模型表明，为了匹配声速，核心中的硫含量需要少得多，或许不到百分之九，但这个含量又无法解释核心的密度。
这种密度与声速之间的不匹配得出了一个明确的结论：单凭硫无法解释地球外核的组成。数据意味着，除了硫之外，一定还存在另一种看不见的轻元素来平衡方程。研究人员的工作为铁和硫在这些极端条件下如何共同作用提供了一个精确且自洽的参考，为未来的研究奠定了坚实的基础，未来的研究很可能需要引入第三种甚至第四种元素，才能最终解开地球隐藏心脏的奥秘。他们的发现证实，虽然硫是一个可能的候选者，但我们行星核心的真实配方比简单的两种成分混合物要复杂得多。
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