Thermal conductivity of MgO, MgSiO3 perovskite and post-perovskite in the Earth's deep mantle
我们报告晶格热导系数率的MgO和MgSiO 3的钙钛矿和后钙钛矿结构的地球下地幔的条件下，从平衡分子动力学模拟。使用先进的离子相互作用势，全电导率张量计算的Green-Kubo方法的装置，和MgSiO 3后钙钛矿的电导率被发现是显着的各向异性。所有三相的热导系数作为密度和温度的函数被参数化。假设一个铁的下地幔组成与摩尔分数xMgSiO 3 = 0.66和xMgO = 0.34，沿模型地热计算的导电性的两相聚集体。结果发现，随深度变化很大，从9.5 W/（mK）在下地幔顶部的核幔边界以上的热边界层顶部的20.5 W/（mK）。实验数据的外推表明，在深地幔条件下，实际量的铁杂质的存在使聚集体的热导系数降低约50%（Manthilake等人，2011年）。从这个结果和我们的热导系数模型，我们估计的热通量的核幔边界为10.8 TW的含铁的MgO/MgSiO 3钙钛矿聚集体和10.6 TW的含铁的MgO/MgSiO 3后钙钛矿聚集体。
2012-10-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Deep-learning-based prediction of the tetragonal$\rightarrow$cubic transition in davemaoite
本研究利用深度学习模拟与热力学积分计算CaSiO₃钙钛矿在300-3000 K、最高130 GPa下的自由能，发现其在下地幔条件下仅存在立方相，从而否定Thomson等人提出的四方-立方相界，并指出中地幔地震异常需另寻机制解释。
2024-01-26 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
The elastic constants of MgSiO3 perovskite at pressures and temperatures of the Earth's mantle
与热对流1有关的地幔温度异常可以从地震层析成像中推断出来，前提是地幔矿物的弹性特性是地幔压力下温度的函数。然而，目前，这些信息很难直接通过实验室实验获得。因此，我们利用计算机技术的最新进展，并进行了有限温度从头计算分子动力学模拟的弹性性质的MgSiO3钙钛矿，下地幔的主要矿物，在相关的热力学条件。当结合断层图像的地幔的结果，我们的研究结果表明，下地幔是显着的滞弹性或成分不均匀的大尺度。我们发现，在给定的深度，地幔的最冷和最热的区域之间的温度差，在1000公里，约为800 K，1500 K在2000公里，并可能超过2000 K的核幔边界。
2009-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen diffusion in the lower mantle revealed by machine learning potentials
本文利用机器学习势分子动力学模拟研究下地幔布里奇曼石和后钙钛矿中的氢扩散，揭示其受温度、压力及缺陷机制影响，并为通过电导率非均质性推断下地幔水分布提供依据。
2024-02-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO3 in Earth's D" layer
地球的下地幔被认为主要由（Mg，Fe）SiO3钙钛矿组成，具有少量的（Mg，Fe）O和CaSiO3）。但是，用这种矿物学方法还不能解释地幔最低150公里（D”层）的许多不寻常的性质。在这里，使用从头计算模拟和高压实验，我们表明，在D”层的压力和温度下，MgSiO3从钙钛矿转变成层状CaIrO3型后钙钛矿相。后钙钛矿相的弹性性质及其稳定性场解释了D”层的几个观察到的令人困惑的性质：它的地震各向异性，顶部强烈起伏的剪切波不连续性，以及剪切和体声速之间的可能关系。
2009-11-17 cond-mat.mtrl-sci
High-pressure, temperature elasticity of Fe- and Al-bearing MgSiO3: implications for the Earth's lower mantle
Fe和Al是除Mg、Si和O之外最重要的两种成岩元素。它们存在于下地幔最丰富的矿物MgSiO_3桥镁石、MgSiO_3后钙钛矿和MgO方镁石中，改变了它们的弹性性质。然而，关于含铁和铝的MgSiO_3桥晶石和后钙钛矿的热弹性的知识很少。在这项研究中，我们进行从头算分子动力学计算的弹性和地震性质的纯，Fe^{3+}-和Fe^{2+}-，和Al^{3+}轴承MgSiO_3钙钛矿和后钙钛矿，在广泛的压力，温度和Fe/Al组成。我们的研究结果表明，类似地幔岩的矿物组合符合一维地震学模型，至少在核幔边界上方几百公里处，即D“区域的顶部。在D“中，类似的组成仍然非常适合于平均速度，并且相当接近于密度。我们还利用地球动力学模型实现了多晶塑性，以预测由此产生的地震各向异性，并发现在所有成分中具有主导（001）滑移的后钙钛矿与D“中的地震观测结果最一致。
2015-07-17 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
High solubility of water in post-perovskite and bridgmanite in the Earth's deep lower mantle
The University of Tokyo（东京大学）；Hokkaido University（北海道大学）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；University of Hyogo（兵库大学）
本研究通过熔融实验结合Cryo-SIMS测量，发现水在深部下地幔的Bdg和PPv中溶解度极高，表明俯冲板块到地幔底部不释放水，提出富水矿物可能构成深部地幔的低D/H水储层。
2026-08-04 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Spin-state crossover and hyperfine interactions of ferric iron in MgSiO$_3$ perovskite
利用密度泛函理论和Hubbard $U$计算方法，我们证明了（Mg，Fe）（Si，Fe）O $_3$钙钛矿的基态在十二面体（A）和八面体（B）位置都具有高自旋三价铁（$S=5/2$）.随着压力的增加，B位铁经历自旋态到低自旋态（$S=1/2$）的交叉，而A位铁保持在高自旋态。我们的计算表明，在40-70 GPa的压力范围内，B位自旋态交叉伴随着明显的体积减小和四极分裂的增加，与最近的x射线衍射和穆斯堡尔谱测量一致。体积减小导致体积模量显著软化，这表明下地幔地震速度异常的可能来源。
2011-02-02 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Electrical conductivity of MgSiO3 at high temperatures and pressures: implications for the Earth's mantle
本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论计算，发现MgSiO3电导率随压力、温度和结构相变化，相变及带隙转变影响地幔电导率。
2024-02-06 cond-mat.mtrl-sci
Discovery of an isostructural phase transition within orthorhombic phase field of CaTiO3
地球下地幔延伸至670至2，990公里深，主要由钙钛矿型（Mg，Fe）SiO 3相1，2组成。钙钛矿相经历结构相变，成为下地幔最低区域约2690 km深度处D”层地震不连续性的后钙钛矿相。然而，下地幔上部区域（700 km至1，200 km深）发生的其他地震不连续的结构基础仍然无法解释4 -7，因为斜方钙钛矿相的晶体对称性没有明显变化5。我们在此提出了CaTiO 3的稳定正交钙钛矿相中的非明显同构相变8的明确证据，其可能与（Mg，Fe）SiO 3的钙钛矿相中的相变也相关，因为这两种化合物具有相似的结构、容差因子和热化学性质9 -11。我们的结果是基于使用Rietveld和模式晶体学技术的中子粉末衍射图案的分析，并支持密度泛函和朗道理论计算。CaTiO_3的研究结果将促进对（Mg，Fe）SiO_3钙钛矿相的同构相变的研究，这可能为地球下地幔上部的不明地球物理现象提供线索。
2014-08-02 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of intermediate-spin ferrous iron in the Earth's lower mantle
铁的自旋交叉在固体地球物理中具有重要意义。它会影响构成地球下地幔$\sim 95$ vol\%的矿物的所有物理性质：铁方镁石[（Mg，Fe）O]和含铁硅酸镁（MgSiO $_3$）钙钛矿。尽管在过去的十年中取得了很大的进展，二价铁（Fe $^{2+}$）的中间自旋（IS）状态（具有总电子自旋$S=1$）的存在及其在这些下地幔矿物的压力诱导自旋交叉中的可能作用仍然存在争议。采用密度泛函理论$+$自洽Hubbard $U$（DFT $+U_{sc}$）计算方法，研究了Fe $^{2+}$在（Mg，Fe）O和（Mg，Fe）SiO $_3$钙钛矿中所有可能的IS态.在这些矿物中可能的IS状态中，最可能的IS状态具有显着降低电子重叠和铁核四极分裂（QS）的电子构型。然而，这些最可能的IS态在能量上仍然是不受欢迎的，它们的量子点与穆斯堡尔谱不一致。因此，我们得出结论，IS Fe $^{2+}$是极不可能在地球的下地幔。
2014-10-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.geo-ph
The effect of pressure and spin on the isotopic composition of ferrous iron dissolved in periclase and silicate perovskite
我们进行密度泛函计算的平衡57 Fe/54 Fe的比例溶解在方镁石和MgSiO 3钙钛矿在地球的地幔的压力和温度的亚铁。压力增加了57 Fe的分配到两个阶段的三个因素，从地球表面的核幔边界。在铁方镁石中，这种增加的一个很大的贡献来自于从高自旋到低自旋铁的电子跃迁。我们的计算表明，压力诱导分馏可以发挥重要作用，在确定行星铁同位素组成。
2008-07-29 cond-mat.mtrl-sci
\textit{Ab initio} lattice thermal conductivity of MgSiO$_3$ across perovskite-postperovskite phase transition
采用声子准粒子方法，结合\textit{ab initio}分子动力学和晶格动力学模拟，研究了MgSiO $_3$后钙钛矿（MgPPv）在地球下地幔高温高压条件下的晶格热导率（$κ_{lat}$）.声子寿命从声子准粒子计算中提取，声子群速度从非谐声子色散计算，原则上捕获完整的非谐性。研究发现，在整个地幔最下部，包括D”区，MgPPv的$κ_{lat}$比MgSiO $_3$钙钛矿（MgPv）的大约25%，这主要是由于MgPPv具有较高的声子速度。两相之间声子速度的这种差异起源于MgPPv相对较小的原始细胞。系统地研究了MgPPv和MgPv的$κ_{lat}$的温度和压力依赖性。
2021-01-30 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio electronic conductivity of Fe-bearing post-perovskite
Princeton University（普林斯顿大学）；Temple University（天普大学）；University of Rochester（罗切斯特大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）
研究铁含量富集的后钙钛矿结构在超级地球地幔条件下的电子导电性，发现其通过带隙闭合难以金属化，导电性主要依赖非电子机制。
2026-02-27 cond-mat.mtrl-sci
Ferroelasticity, shear modulus softening, and the tetragonal-cubic transition in davemaoite
本研究利用机器学习原子间势和分子动力学，揭示了davemaoite在四方-立方相变中的铁弹性滞后回线与剪切模量软化现象，为下地幔地震学解释提供了可靠基准。
2025-05-02 cond-mat.mtrl-sci
Charge disproportionation and site-selective local magnetic moments in the post-perovskite-type Fe$_2$O$_3$ under ultra-high pressures
原型$3d$ Mott绝缘体赤铁矿Fe $_2$ O $_3$是在地球下地幔矿物学中起重要作用的基本氧化物组分之一。它的高压-温度行为，如电子性质、状态方程和相稳定性，对于理解地球内部的性质和演化具有重要意义。本文采用密度泛函加动力学平均场理论（DFT+DMFT）方法研究了超高压下Fe $_2$ O $_3$的电子结构、磁性和晶格稳定性.在Mott转变附近，Fe $_2$ O $_3$表现出一系列复杂的电子，磁性和结构转变。特别是，它使相变的金属后钙钛矿晶体结构和位点选择性的局部时刻后，压缩超过75 GPa。我们发现，位置选择性相变伴随着Fe离子的电荷交换，与Fe $^{3\pm δ}$和$δ\sim 0.05$ - $0.09$，这意味着电子相关性和晶格之间的复杂的相互作用。我们的研究结果表明，在Fe $_2$ O $_3$中的位置选择性局部矩持续到$\sim$ 200-250 GPa的超高压，即，远远高于核幔边界后者可能对理解地球下地幔的速度和密度异常产生重要影响。
2019-10-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Ab initio studies of structural instabilities in magnesium silicate perovskite
采用密度泛函模拟方法计算了硅酸镁钙钛矿的立方相、稳定的斜方相和中间的四方相的结构性质和高对称性声子。我们表明，稳定相的结构是很好地描述了在少量的不稳定声子冻结成立方相。我们使用这些不稳定的模式的频率来估计立方-tetraxite和tetraxite-正交相变的转变温度。这些进一步调查发现，与应变的耦合表明，声子给出了更好的表示比刚性单位模式。发现中间四元相的声子是稳定的，除了两个旋转模式。立方相和四方相的最不稳定模式的本征向量占正交相的所有位置参数。斜方晶系-四斜晶系过渡的相边界相交可能的地幔地热，表明四斜晶系相可能存在于下地幔。
1995-03-02 cond-mat.mtrl-sci mtrl-th
The Geometric Blueprint of Perovskites
Percent矿物是地球地幔的重要组成部分，合成晶体在电子，光子学和能源技术中无处不在。这些晶体的非凡化学多样性提出了一个问题，即有多少和哪些钙钛矿尚未被发现。在这里，我们证明了Goldschlaun在1926年假设的“无晃动”原理，描述了钙钛矿可以形成的几何条件，比以前认为的要有效得多，并且允许我们预测新的钙钛矿，保真度为80%。通过补充这一原则与推理统计和互联网数据挖掘，我们建立了目前已知的钙钛矿只是冰山一角，我们列举了9万迄今未知的化合物等待研究。我们的研究结果表明，几何蓝图可以系统地筛选数百万种化合物，并在结构预测和材料设计中提供尚未开发的机会。
2018-06-20 cond-mat.mtrl-sci
Thermoelastic properties of bridgmanite using Deep Potential Molecular Dynamics
本研究结合 DP 与 DFT，构建覆盖多种泛函的 MgPv 深度学习势，准确预测下地幔条件下的状态方程与弹性质，兼顾精度与效率。
2023-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
