Trạng thái vật chất bí ẩn được phát hiện chảy bên trong lõi Trái Đất

Các nhà khoa học vừa xác nhận sự tồn tại của một trạng thái vật chất kỳ lạ – vừa rắn vừa lỏng – bên trong lõi Trái Đất.

Bằng cách bắn những viên hợp kim sắt–cacbon siêu nhỏ từ một khẩu pháo tốc độ cao, họ đã chứng minh rằng trạng thái “siêu ion” này hoàn toàn có thể xảy ra trong điều kiện lõi trong của hành tinh.

Trạng thái siêu ion giúp giải thích nhiều hiện tượng bất thường trong lõi Trái Đất, chẳng hạn như việc sóng địa chấn bị chậm lại, hay các phép đo cho thấy lõi trong mềm dẻo như bơ thay vì cứng rắn như thép lạnh.

Nhà vật lý Youjun Zhang thuộc Đại học Tứ Xuyên (Trung Quốc) cho biết: “Lần đầu tiên chúng tôi chứng minh thực nghiệm rằng hợp kim sắt–cacbon dưới điều kiện lõi trong có vận tốc trượt rất thấp. Trong trạng thái này, các nguyên tử cacbon di chuyển tự do qua khung tinh thể sắt, giống như trẻ em len lỏi qua một điệu múa vòng, trong khi sắt vẫn giữ cấu trúc rắn và trật tự. Pha siêu ion này làm giảm đáng kể độ cứng của hợp kim.”

Thí nghiệm mô phỏng điều kiện lõi Trái Đất

Từ thập niên 1930, mô hình phổ biến cho rằng Trái Đất có lõi ngoài dạng lỏng nóng chảy, còn lõi trong bị nén chặt đến mức vẫn rắn dù nhiệt độ cực cao. Tuy nhiên, dữ liệu địa chấn nhiều thập kỷ qua cho thấy bức tranh phức tạp hơn.

Năm 2022, nhóm của nhà địa vật lý Yu He (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) đã chứng minh bằng lý thuyết rằng trạng thái siêu ion có thể giải quyết nghịch lý này. Trong đó, áp suất khổng lồ giữ sắt ở dạng rắn, nhưng nhiệt độ cực cao khiến các nguyên tử nhẹ như cacbon chuyển động linh hoạt như chất lỏng.

Để kiểm chứng, Zhang, He và cộng sự sử dụng kỹ thuật “nén sốc động lực học” nhằm ép một mảnh hợp kim sắt–cacbon nhỏ đến mức nó hành xử giống như trong lõi Trái Đất. Họ dùng súng khí hai giai đoạn – thiết bị chính xác cao vận hành bằng thuốc súng không khói và khí nén – để bắn các hạt ở tốc độ hơn 7 km/giây (tương đương 4,3 dặm/giây) vào mục tiêu fluoride lithium có độ nén cao.

Va chạm tạo ra sóng sốc ngược, nén mẫu hợp kim tới áp suất 140 gigapascal và nhiệt độ khoảng 2.600 Kelvin (tức 2.327 °C). Dù chưa đạt mức cực hạn của lõi trong (330–360 gigapascal và 5.000–6.000 Kelvin), điều kiện này đủ để tái hiện các đặc điểm chính của môi trường lõi.

Ý nghĩa đối với hiểu biết về Trái Đất

Các điều kiện mô phỏng chỉ kéo dài vài nano đến micro giây, nhưng đủ để đo nhiệt độ, mật độ và sự lan truyền sóng âm bằng laser cùng cảm biến siêu nhanh. Kết quả cho thấy hợp kim có vận tốc sóng trượt thấp và độ “mềm dẻo” – tức hệ số Poisson – giống với dữ liệu địa chấn thực tế từ lõi trong.

Trong trạng thái này, khung sắt vẫn cố định như “Batman”, còn cacbon di chuyển linh hoạt như “Robin”. Mô hình này giải thích hoàn hảo vì sao dữ liệu địa chấn lại có đặc điểm như vậy, đồng thời chấm dứt tranh luận lâu nay về cách các nguyên tố nhẹ ứng xử dưới áp suất cực cao.

Phát hiện này còn mở ra khả năng hiểu rõ hơn về từ trường Trái Đất – cấu trúc khổng lồ được tạo ra từ sự dẫn điện và đối lưu sâu bên trong hành tinh.
Ông Zhang nhấn mạnh: “Chúng ta đang rời xa mô hình tĩnh, cứng nhắc của lõi trong để tiến tới mô hình động. Việc hiểu trạng thái vật chất ẩn giấu này đưa chúng ta gần hơn đến việc giải mã bí mật của các hành tinh giống Trái Đất.”

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí National Science Review .