Einem Forscherteam des Tokyo Institute of Technology um Professor Kenji Ohta ist es gelungen, den elektrischen Widerstand von flüssigem Eisen bei extrem hohen Drücken und Temperaturen wie sie im Erdinnern vorkommen zu messen. Professor Ohta hat zwei neue Techniken entwickelt, dank welcher der Durchbruch möglich wurde.
Eisen als Element
Eisen ist das massenmäßig am häufigsten vorkommende Element auf der Erde. Im flüssigen Zustand macht es den größten Teil des Erdkerns aus. Obwohl es so häufig vorkommt und gut erforscht ist, gibt es den Wissenschaftlern immer noch Rätsel in Bezug auf seine elektrischen und magnetischen Eigenschaften auf, da Messungen weitgehend auf festem Eisen beruhen. Vorhersagen über die Eigenschaften von flüssigem Eisen können nur schwer experimentell überprüft werden. Grund ist, dass es mit den herkömmlichen Hochdruckapparaturen nur schwer möglich ist, Form und chemische Zusammensetzung der flüssigen Eisenproben aufrechtzuerhalten.
Neu entwickelte Forschungsmethoden
Die Bewegung von Eisen im Kern eines Planeten ist für sein Magnetfeld verantwortlich. Geophysiker verwenden elektrische Widerstandsmessungen, um planetarische Magnetfelder und die Entwicklung von Planetenkernen zu untersuchen. Das Problem bei der Messung des elektrischen Widerstands von flüssigen Metallen ist aber, dass das Material während der Messungen seine Form beibehalten muss, damit die Forscher einen wahren Wert erhalten. Da Flüssigkeiten das tendenziell aber nicht tun, entwickelten Ohta und seine Kollegen zwei neue Methoden, um den elektrischen Widerstand ihrer Proben zu messen.
Bei beiden Techniken wurde eine Diamantstempelzelle (DAC, von englisch diamond anvil cell) verwendet, die einen unglaublich hohen Druck auf eine Probe ausübt, indem sie diese zwischen den flachen Seiten zweier gegenüberliegender Diamanten zusammenpresst. Bei der ersten Technik verwendeten die Forscher eine Saphir-Kapsel, um die Eisenprobe in der DAC zu halten, während sie sie mit einem Laser und elektrischem Strom erhitzten.
„Die Idee war, die Geometrie der Eisenprobe während des Schmelzens unverändert zu lassen und die Temperaturunterschiede innerhalb der Probe zu minimieren.“, so Dr. Ohta.
Bei der zweiten Technik wurde ein radikal anderer Ansatz gewählt. Anstatt die Form der Probe während des Schmelzvorgangs durch Verkapselung zu bewahren, verwendeten die Forscher leistungsstarke Laser, um das Eisen „sofort" zu schmelzen. Ziel war es, gleichzeitig den Widerstand, die Röntgenbeugung und die Temperatur der geschmolzenen Probe zu messen, bevor diese genug Zeit hatte, ihre Geometrie zu verändern. Nachdem die Probe die Zielbedingungen erreicht hatte, gelang es dem Team innerhalb des Zeitfensters von wenigen Millisekunden, die Messungen vorzunehmen.
Forschungsergebnisse
Durch die Kombination dieser Techniken konnte das Team den experimentell gesicherten spezifischen Widerstand von flüssigem Eisen bei Drücken und Temperaturen von bis zu 135 GPa bzw. 6.680 K ermitteln. Das ist 2-mal höher als je zuvor erreicht.
Die Messungen ergaben, dass der spezifische Widerstand von flüssigem Eisen nicht sehr stark von der Temperatur abhängt. Darüber hinaus folgt er bei höheren Drücken recht gut den bestehenden theoretischen Schätzungen, einschließlich einer anomalen Abnahme um 50 GPa, die wahrscheinlich auf einen allmählichen magnetischen Übergang hinweist. Dies ist wichtig, da es einige Diskrepanzen zwischen den theoretischen Vorhersagen und den experimentellen Daten über den spezifischen Widerstand von flüssigem Eisen gibt, insbesondere bei Drücken unter 50 GPa.
Die Ergebnisse dieser Studie werden dazu beitragen, den Ursprung dieser Diskrepanzen zu klären und den Physikern helfen, genauere Modelle und Theorien über das Verhalten von Eisen zu entwickeln. Dies wiederum könnte zu einem umfassenderen Verständnis der Erdkerne sowie verwandter Phänomene wie planetarer Magnetfelder führen.
Die vollständige Studie finden Sie hier.
