本文介绍的研究由Christine J. Wu、Lorin X. Benedict、Philip C. Myint、Sebastien Hamel、Carrie J. Prisbrey和James R. Leek等作者完成，研究机构为美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）。该研究发表于2023年7月7日的《Physical Review B》期刊，题为“Wide-Ranged Multiphase Equation of State for Iron and Model Variations Addressing Uncertainties in High-Pressure Melting”。

研究背景与目的

铁（Fe）是高压科学中研究最为广泛的材料之一，尤其是在理解地球及其他类地行星内部结构方面具有重要意义。铁的高压相图及其熔化曲线（melting curve）对于地球动力学、地核演化等研究至关重要。然而，尽管过去几十年中进行了大量的实验和理论研究，铁在高压下的熔化温度（Tmelt）仍存在较大的不确定性，尤其是在1-3 Mbar（百万大气压）范围内。这些不确定性主要源于不同的实验方法（如金刚石压砧实验和冲击波实验）得出的熔化温度存在显著差异。

本研究的主要目标是构建一个广泛适用的铁的多相状态方程（multiphase equation of state, EOS），涵盖铁的四个固相（α、ε、γ、δ）和一个液相。通过结合最新的实验数据和第一性原理计算，研究团队旨在解决高压熔化温度的不确定性，并为行星科学中的相关应用提供更准确的预测。

研究方法与流程

研究团队首先收集了大量的实验数据，包括静态高压实验（如金刚石压砧实验）和动态高压实验（如冲击波实验和斜坡压缩实验）。这些数据涵盖了从环境压力到数百万大气压的广泛压力范围。为了进一步约束状态方程，研究团队还进行了第一性原理电子结构计算，特别是针对六方密堆积（hcp）相和液相在高压条件下的性质。

研究的主要流程包括以下几个步骤： 1. 数据收集与拟合：研究团队收集了铁在不同压力下的实验数据，包括等温线、等压线、冲击波数据等。这些数据被用于拟合多相状态方程的自由能模型。 2. 第一性原理计算：为了补充实验数据的不足，研究团队进行了基于密度泛函理论（DFT）的分子动力学模拟，计算了hcp相和液相在高压条件下的热力学性质。 3. 状态方程构建：基于实验数据和第一性原理计算，研究团队构建了铁的多相状态方程。该状态方程包括四个固相和一个液相的自由能模型，并通过拟合实验数据来约束这些模型。 4. 模型变体构建：由于高压熔化温度存在不确定性，研究团队构建了多个状态方程模型变体，分别对应于不同的熔化温度曲线。这些变体包括基于不同实验推断的熔化温度曲线（如高Tmelt和低Tmelt曲线），以评估熔化温度不确定性对状态方程的影响。

主要结果

研究团队构建的多相状态方程模型能够很好地拟合现有的实验数据，特别是在高压冲击波实验和金刚石压砧实验中得到的数据。研究结果表明，高压下的熔化温度曲线存在较大的不确定性，尤其是在1-3 Mbar范围内。研究团队发现，只有较高的熔化温度曲线与现有的冲击波熔化数据一致。

此外，研究团队还发现，近期的一项冲击-斜坡X射线衍射实验数据表明，铁在5 Mbar以上的熔化温度可能比之前报道的要低。基于这些发现，研究团队提出了一系列状态方程模型变体，以解决实验数据的不确定性，并为未来的实验提供指导。

研究的意义与价值

该研究构建的铁的多相状态方程为行星科学中的多个重要问题提供了关键的工具。例如，该状态方程可以用于预测地球内核边界温度、内外核密度差等关键参数，从而帮助理解地球的长期演化过程。此外，该研究还为未来的高压实验提供了指导，特别是如何通过新的实验进一步减少高压熔化温度的不确定性。

研究的亮点

1. 广泛的实验数据拟合：研究团队结合了多种实验数据（包括静态和动态高压实验）来构建状态方程，确保了模型的广泛适用性。
2. 第一性原理计算的引入：通过引入第一性原理计算，研究团队能够补充实验数据的不足，特别是在高压条件下的热力学性质预测。
3. 多模型变体的构建：研究团队构建了多个状态方程模型变体，以应对高压熔化温度的不确定性，这为未来的实验和理论研究提供了灵活的工具。

结论

该研究通过结合实验数据和第一性原理计算，成功构建了一个广泛适用的铁的多相状态方程。该状态方程不仅能够很好地拟合现有的实验数据，还为行星科学中的多个重要问题提供了关键的工具。研究团队提出的多模型变体也为未来的高压实验提供了指导，有助于进一步减少高压熔化温度的不确定性。