En innovativ röntgenmetod möjliggör nya högtrycksundersökningar av prover under djupa mantelförhållanden. Tekniken, som utvecklades av ett team ledd av Georg Spiekermann från DESY, det tyska forskningscentret för geovetenskaper GFZ och universitetet i Potsdam, utökar utbudet av instrument som är tillgängliga för högtrycksforskare. Framgångsrika tester av den nya metoden vid DESY:s röntgenljuskälla PETRA III stödjer tanken att tunga grundämnen måste samlas i magma så att de kan vara stabila på djupet av jordens nedre mantel. Forskarna presenterar sitt arbete i tidskriften Fysisk granskning X .

De så kallade standardvillkoren för kemi, dvs en temperatur på 25 grader Celsius och ett tryck på 1013 millibar, är faktiskt sällsynta i naturen. Det mesta av materien i universum existerar under helt andra förhållanden. I jordens inre, till exempel, tryck och temperatur stiger snabbt till många gånger standardförhållandena. "Dock, även med den mest komplicerade djupborrningen, endast den översta delen av jordskorpan är tillgänglig, ", understryker Spiekermann. Forskare simulerar därför förhållandena i jordens inre i laboratoriet för att undersöka materiens beteende under dessa förhållanden.

Sådana experiment involverar ofta att bestämma provernas inre struktur, som i många material förändras med ökande tryck. Denna inre struktur kan utforskas med röntgenstrålar som är tillräckligt energiska för att penetrera provet och tillräckligt korta i våglängd för att lösa de små detaljerna i atomavstånd. För det här syftet, vanligtvis finns två röntgenbaserade metoder inom högtrycksforskning:absorption och diffraktion av röntgenstrålar genom provet.

Baserat på röntgenstrålning, Spiekermann och hans team har nu utvecklat en tredje metod som kan användas för att bestämma både bindningsavstånden i komprimerad amorf (ordnad) materia och det så kallade koordinationsnumret, som anger hur många direkta grannar en atom har. Dessa parametrar kan avläsas från energin och intensiteten av strålningen från en viss emissionslinje i provet, kallas Kβ" ("K-beta-doubleprime"). Kβ"-strålningen genereras när provet exciteras med röntgenstrålar. Emissionsledningens energi beror på koordinationsnumret, intensiteten på bindningsavståndet.

Experiment på försöksstationen P01 vid DESYs röntgenkälla PETRA III har bekräftat den nya metoden. "Vi har visat detta, använda spektrumet av germanium i komprimerad amorf germaniumdioxid, men denna procedur kan också tillämpas på andra kemiska system, säger Spiekermann.

Metoden kommer att ge forskare en ytterligare teknik för att undersöka strukturen hos högtrycksprover. "Insikten som en ny mätmetod ger är särskilt välkommen när olika metoder hittills har gett markant olika resultat hittills, som i fallet med komprimerad amorf germaniumdioxid, " förklarar DESY-forskaren Hans-Christian Wille, chef för mätstationen P01 där experimenten ägde rum.

För sina experiment, forskarna exponerade prover av germaniumdioxid (GeO2) för ett tryck på upp till 100 gigapascal, ungefär en miljon gånger så mycket som atmosfärstrycket vid havsnivån. Detta tryck motsvarar ett djup av 2200 kilometer i jordens nedre mantel. Mätningarna visar att koordinationstalet för germaniumdioxid inte stiger högre än sex även under detta extrema tryck. Detta innebär att även i högtrycksfasen, germaniumatomerna har var och en fortfarande sex närliggande atomer som redan vid 15 gigapascal.

Detta resultat är av stort intresse för utforskningen av jordens inre, eftersom germaniumdioxid har samma struktur och beter sig som kiseldioxid (SiO2), som är huvudkomponenten i naturlig magma i allmänhet. Eftersom smältor som magma i allmänhet har en lägre densitet än den fasta formen av samma material, det har länge varit ett mysterium varför magma på stort djup inte stiger mot ytan under geologiska perioder.

"Det finns två möjliga förklaringar till detta, en kemikalie, den andra strukturella, ", förklarar Spiekermann. "Antingen ackumuleras tunga grundämnen som järn i smältan, eller så finns det en speciell komprimeringsmekanism i smältor som gör smältor tätare än kristallina former av samma sammansättning." Det senare skulle märkas, bland annat, genom en ökning av koordinationstalet under högt tryck.

"Våra undersökningar visar att upp till 100 gigapascal är koordinationstalet i icke-kristallin germaniumdioxid inte högre än i motsvarande kristallina form, " rapporterar forskaren. Tillämpad på kiseldioxid, detta innebär att magma med högre densitet endast kan produceras genom att anrika relativt tunga grundämnen som järn. Den nedre mantelns sammansättning och struktur har långtgående konsekvenser för den globala värmetransporten och utbredningen av jordens magnetfält.