短程有序稳定地球内核中的立方铁硅合金：揭示内核结构与地震波速的新机制

地球内核主要由铁(Fe)和少量硅(Si)等轻元素组成，但其晶体结构和地震波速仍不明确。研究人员通过结合混合蒙特卡罗采样算法与深度学习原子间势，计算了Fe-Si二元相图及声速，发现体心立方(bcc)相因Si原子的短程有序(SRO)而稳定存在，且其剪切波速和各向异性与地震观测更吻合。该研究为内核结构提供了新候选相，并强调了轻元素对地球核心性质的重要影响。

　　

地球内核作为行星磁场的能量源和地球演化的关键记录者，其组成和结构一直是地球科学的核心谜题。尽管已知其主要由铁(Fe)和少量轻元素（如硅(Si)）组成，但内核在极端高压(330-360 GPa)和高温(约6000 K)下的晶体结构仍存在争议。传统观点认为六方密排(hcp)结构是内核的主导相，但地震观测显示其剪切波速(v_S)和各向异性与纯hcp铁的模拟结果存在显著差异。更复杂的是，轻元素的加入可能彻底改变铁的相变行为，而现有实验和第一性原理计算因技术限制难以准确描述高熵合金的构型无序效应。

为解决这一难题，研究人员开发了一种结合混合蒙特卡罗(hybrid MC)采样与深度学习原子间势(DLP)的新方法，对Fe-Si合金在330 GPa下的相图和弹性性质进行了系统研究。通过半巨正则(SGC)系综模拟，首次揭示了Si原子在bcc晶格中的短程有序(SRO)现象，并发现这种局域有序化可显著降低自由能，使bcc相在20-25 at% Si浓度区间内重新稳定。计算表明，bcc-FeSi合金的v_S比hcp相低2%，更接近PREM模型的地震数据，且其压缩波(v_P)各向异性达20%，可通过凝固织构等机制解释内核地震各向异性。

关键技术包括：1) 基于DeePMD框架构建多温度(4000-6400 K)深度学习势函数，力误差<0.38 eV/?；2) 采用3456原子体系进行混合MC模拟，结合粒子置换与分子动力学(MD)步长；3) 通过热力学积分(TDI)计算非理想固溶体自由能；4) 应力-应变法测定弹性常数，系统尺寸验证至16000原子。

Bcc-B2相变

通过ΔμPT系综模拟发现，bcc-B2转变在5000 K以下为一级相变，6000 K时转为连续相变，暗示三临界点存在。X射线衍射(100)峰和径向分布函数分析证实，Si原子优先占据bcc的一个简单立方亚晶格，形成B2型有序，但高温下存在亚晶格互换无序。

330 GPa下的Fe-Si相图

HMC-TDI计算显示，hcp相在<21 at% Si时稳定，而bcc相在6200-6500 K和20-25 at% Si区间重新出现。相图复杂性源于Si浓度对bcc相机械稳定性的显著影响——Si添加使c₁₁-c₁₂剪切模量负值区向低温移动，拓宽bcc稳定域。

短程有序的稳定效应

非理想混合使bcc相自由能比理想固溶体降低34 meV/atom(20 at% Si)，远超hcp相的19 meV/atom。配位数分析显示，Si原子在bcc中呈现强烈的1-2配位壳层反相关有序，这种SRO模式在fcc/hcp中较弱，成为bcc相稳定的关键。

讨论与意义

该研究首次量化了SRO对地球核心合金相稳定性的影响，提出bcc结构作为内核的新候选相。尽管hcp相在10 at% Si(匹配内核密度)时仍略微稳定(23 meV/atom)，但Ni、O等其他元素的协同效应可能进一步稳定立方相。研究还指出，单一Si无法解释内核边界的密度跃变，需考虑多元合金效应。这些发现为理解地球磁场演化、内核形成过程提供了新视角，其开发的DLP-HMC方法也为复杂合金体系研究树立了新范式。