Fe-Si-O system investigated under extreme conditions through laser-induced shock compression

In order to match the measured density profile and seismic wave velocity, the core must contain light elements in addition to a large amount of Fe and Ni. Silicon and oxygen are two of the most promising candidates, but so far the properties of Fe-Si and Fe-O binary mixtures fail to reproduce the multiple properties required. It has recently been reported that ternary Fe-Si-O mixtures could clarify several previously unexplained data, but these studies have been challenged. The aim of this work is to study for the first time the Fe-Si-O system with laser-induced shock compression up to 300GPa and 12000K coupled with synchrotron X-ray ultrafast absorption spectroscopy, a technique that should avoid carbon contamination problems that are a likely cause of the contradictory results on these mixtures. The work was accompanied by absorption spectroscopies in diamon anvil cells at room temperature, to probe P-T conditions not achievable with shock compression, and to obtain reference data to better analyse the latter. With the aid of ab initio simulations we find that from a BBC-like structure the mixtures transform into an HCP-like structure, and we find a possible liquid transition. Interestingly, we also succeed in confirming for the first time a result recently reported in the literature concerning density equilibration in multiphase mixtures compressed with laser-induced shocks.

Per poter spiegare il profilo di densità e la velocità delle onde sismiche misurate, il nucleo terrestre oltre ad una grande quantità di Fe e Ni deve contenere degli elementi leggeri. Il silicio e l’ossigeno sono due dei candidati più promettenti, ma finora le proprietà delle miscele binarie Fe-Si e Fe-O non riescono a riprodurre le molteplici proprietà necessarie. Recentemente è stato sostenuto che le miscele ternarie Fe-Si-O potrebbero riuscire a chiarire diversi dati precedentemente inspiegabili, ma questi studi sono stati contestati. Lo scopo di questo lavoro è studiare, per la prima volta, il sistema Fe-Si-O fino a 300GPa e 12000K con compressione dinamica indotta da impulsi laser accoppiata alla spettroscopia di assorbimento ultraveloce con raggi X di sincrotrone, una tecnica che dovrebbe evitare i problemi di contaminazione da carbonio che sono una probabile causa dei risultati contraddittori su queste miscele. Il lavoro è stato accompagnato da spettroscopie di assorbimento in celle a incudini di diamante a temperatura ambiente, per sondare le condizioni P-T non ottenibili negli esperimenti di compressione dinamica e per ottenere dati di riferimento utili analizzare meglio questi ultimi. Con l’aiuto di simulazioni ab initio, abbiamo trovato che da una struttura simil-BBC le miscele si trasformano in una struttura simil-HCP e abbiamo trovato una possibile transizione liquida. Riusciamo anche a confermare per la prima volta un risultato, recentemente riportato in letteratura, riguardante la riequilibrazione della densità in miscele multifase compresse dinamicamente da laser.