只在高压下存在的铁晶体，科学家测量它的弹性

今天我们要讨论的是一篇关于高压下铁的物理性质的非常有趣的论文。这篇论文是由法国和德国的一些科学家合作发表在《物理评论快报》上的。他们成功地合成了一种稀有的铁晶体结构，叫做ε-铁，还直接测量了它的弹性常数。这些结果对于理解地球内核的声学性质和动力学过程有重要的意义。

铁是地球最主要的元素之一，它构成了地球核心的大部分。地球核心可以分为两层：外核和内核。外核是液态的，内核是固态的。外核和内核之间有一个很明显的界面，叫做雷曼不连续面。在这个界面上，声波的速度会突然增加，这说明内核比外核更密实。

那么，为什么内核会比外核更密实呢？这跟铁在高压下发生相变有关。相变就是物质在不同温度和压力下改变其晶体结构的过程。我们都知道，在常压下，铁有三种不同的晶体结构：α-铁，γ-铁和δ-铁。当温度升高或者压力降低时，铁会从α-铁转变为γ-铁，再从γ-铁转变为δ-铁。

但是，在高压下，铁还会发生另一种相变。因为原子是由核和电子组成的，而电子又可以分为价电子和芯电子。价电子是参与化学反应和形成化学键的电子，芯电子是紧紧围绕着原子核的电子。当压力增加时，价电子会被挤压到芯电子层里面去，导致原子失去了化学性质。这时候，原子就像一个裸露的原子核一样，只跟周围其他原子发生静电作用。

在高压下发生转变的铁就叫做ε-铁。ε-铁是六方最密堆积结构，它比体心立方结构或者面心立方结构更紧密。ε-铁在地球内核中占据了很大比例，可能达到80%以上。因此，了解ε-铁的物理性质对于研究地球内核的结构和演化非常重要。

要合成和测量ε-铁的单晶并不容易，因为它只在高压下稳定。要达到地球内核的压力，需要使用一种特殊的装置，叫做金刚石对顶砧（DAC）。DAC是一种可以产生高压和高温的实验装置，它的原理是用两个金刚石作为对顶的砧头，把样品夹在中间，然后进行加压。金刚石是最硬的物质之一，它可以承受很大的压力而不变形或者碎裂。DAC可以产生超过1000 GPa的压力，相当于地球内核中心的压力。