―地球内核は超イオン状態か―
本研究成果のポイント
- 地球中心核に相当する高温高圧下で、面心立方鉄水素化物が超イオン状態で存在することを示唆
- 超イオン状態に特長的な熱膨張異常を観測するとともに、水素移動度の温度依存性を実験的に定量
- 地球内核の地震波速度異常や地球内部の進化の解明につながることに期待
概要
東京科学大学（Science Tokyo） 理学院 地球惑星科学系の長屋慶大博士後期課程学生、岡崎雄祐博士後期課程学生、太田健二教授、愛媛大学先端研究院地球深部ダイナミクス研究センターの出倉春彦講師らの研究チームは、鉄–軽元素合金の一種である面心立方鉄水素化物（fcc FeHX）が高温高圧下で超イオン状態（用語1）になることを示唆する実験的兆候を、世界で初めて確認しました。
地球の中心に存在する内核の組成は、密度や地震波伝播速度などの観測値をもとに、鉄・ニッケルに加えて水素、酸素、炭素などの軽元素が含まれた合金であると推定されています。しかし地震波観測から示される内核の弾性は、実験や理論計算から求められている鉄–軽元素合金の弾性とは合わず、詳細な理由は未だに分かっていません。内核の特異な弾性の成因として、近年の理論計算では、鉄–軽元素合金の「超イオン状態」が重要になることが示唆されています。鉄–軽元素合金の場合、鉄格子は通常の固体のままで、軽元素だけが高速で拡散します。鉄–軽元素合金の超イオン状態は超高圧・超高温条件でのみ存在するため、これまで実験で観察されたことはありませんでした。
本研究では、レーザー加熱式ダイヤモンドアンビルセル装置（用語2）を用いて、大型放射光施設SPring-8 BL10XU（用語3）において実験を行いました。結果として、FeHXを圧力一定条件で温度を変化させた時、予測された超イオン状態への相転移温度付近でλ型の熱膨張率異常（用語4）が観察されること、また水素の移動度が急激に上昇することを明らかにしました。これらの結果は、地球内核の条件下で実際に鉄–軽元素合金が超イオン状態で存在することを強く示唆するものです。さらに、実験から見積もられた内核条件下の水素の移動度は従来の理論予測よりも低く、内核の半径程度の距離（約1,200 km）を水素が移動するためには、地球の年齢の100倍以上の時間がかかってしまうことが分かりました。
本成果は、6月9日付の「Nature Geoscience」誌に掲載されました。
用語解説
（用語1）超イオン状態
通常の固体結晶では、構成原子はおおよそ定まった結晶格子位置または格子間位置の周辺にとどまり、長距離にわたって拡散することはない。一方、特定の温度・圧力条件下では、一部の原子種のみが高い移動度を示し、固体の結晶骨格を保ったまま、格子間を長距離拡散する状態が現れることがある。このような状態を超イオン状態と呼ぶ。本研究では、鉄の結晶格子中を移動する水素を対象としている。
（用語2）ダイヤモンドアンビルセル装置
ダイヤモンドを用いた小型の高圧装置。ダイヤモンドは圧力を発生させる尖頭状の部品（アンビル）として用いられる。ガスケットと呼ばれる金属の板に小さな穴をあけ、その穴に試料を入れて2つのダイヤモンドアンビルで挟み込むことで高圧を発生させる。ダイヤモンドの先端のサイズを小さくすることで、地球中心部に相当する圧力の発生が可能。
（用語3）SPring-8 BL10XU
兵庫県播磨にある大型放射光施設SPring-8の10番目のビームライン。ダイヤモンドアンビルセルを用いた超高圧におけるX線回折測定実験に特化している。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波。BL10XUの場合は電磁波の中でも30 keVの単色X線を用いて実験を行うことができる。
（用語4）λ型の熱膨張異常
二次以上の相転移に伴ってしばしば観察される現象の1つ。「λ型相転移」というと、通常は、温度に対する比熱のグラフがギリシャ文字のλの形に似た鋭いピークを示すものを指す。λ型相転移では比熱の他にも熱膨張、体積弾性率などの物理量も温度に対して鋭いピークを持つことが熱力学的に示されている。特に物質の秩序や対称性に関わる相転移ではλ型のピークがしばしば現れ、水や蛍石の超イオン相転移においてもλ型の熱膨張率異常が観察されている。
論文情報
掲載誌：Nature Geoscience
論文タイトル：Experimental indications of superionic behaviour in iron hydride under Earth’s core conditions
著者：Yoshihiro Nagaya, Yusuke Okazaki, Haruhiko Dekura, Kenji Ohta
DOI：10.1038/s41561-026-02001-5
本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業（JSPS科研費）24KJ1090、25KJ1233、24H00266の支援を受けて行われました。
また、放射光実験は SPring-8 BL10XU において、2023A、2023B、2024A、2024B、2025Aの課題のもとで実施されました。