探索地球及其它行星深部物质的组成与状态是地学领域的前沿课题。对地球而言,地核主要由Fe、Ni组成。根据地震波及宇宙化学数据,地球的外核及内核的密度均比Fe-Ni合金低,表明有原子序数更低的元素(light elements,轻元素)存在。轻元素的种类及含量对研究地球动力学、地球化学平衡以及地球演化时的元素分异等问题有重要意义。然而,这一问题目前尚无定论。
S元素被认为是地核及其它行星内核中一种主要的轻元素,FeS的晶体结构、电子结构及磁性在高温高压条件下发生丰富变化,受到研究人员的广泛关注。P元素也被认为是地核中可能存在的轻元素。由于 Fe-P与Fe-S二元体系具有相似的相图, P很可能与S形成固溶体存在于行星内核。FeP具有MnP型结构,该结构与FeS高压变体(FeS II及FeS VI)相同。一直以来,人们认为Fe-P化合物的性质可能与Fe-S相似,然而,北京大学高温高压实验室巫翔研究员课题组通过原位高压实验表明,FeP与FeS具有不同的高压行为。
通过高压DAC技术,结合X射线粉晶衍射、穆斯堡尔谱以及便携式激光加温设备,博士研究生顾婷婷在温度达2000K、压力达15.6 GPa条件下对FeP化合物的晶体结构及电子结构展开了研究。实验结果表明,FeP在此温压范围内未发生结构相变,其等温体积模量为205(7)GPa,比其他Fe-P化合物(Fe2P,Fe3P)高。穆斯堡尔谱实验表明,FeP在该温压条件下的磁性、电子结构均保持稳定,但Fe6P多面体的畸变随着压力增高逐渐降低。FeP不同于FeS的高压行为,意味着P的加入很可能会影响FeS在高温高压下的结构、磁性及Fe的自旋状态,从而影响行星内核的物理化学性质。
该研究工作在《Physics of the Earth and Planetary Interiors》上发表 (Gu, T., Wu, X., Qin, S., and Dubrovinsky, L., 2011. Phys. Earth Planet. Inter. 184,154-159)。