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研究快讯 | SrTiO3单晶立方相到四方相转变引起的弹性异常

已有 113 次阅读 2022-9-28 02:17 |系统分类:论文交流

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Editors' Suggestion

Abnormal Elastic Changes for Cubic-Tetragonal Transition of Single-Crystal SrTiO3

Caizi Zhang (张才姿), Fangfei Li (李芳菲), Xinmiao Wei (魏鑫苗), Mengqi Guo (郭梦琪), Yingzhan Wei (魏颖展), Liang Li (李亮), Xinyang Li (李新阳), and Qiang Zhou (周强)

Chin. Phys. Lett. 2022, 39 (9): 096201


文章亮点

本文采用SrTiO3作为下地幔重要矿物毛钙硅石(CaSiO3)的类似物进行了高压下的弹性性质研究。结果显示SrTiO3单晶从立方到四方相变过程中会导致弹性的异常变化,横波分裂各向异性陡增,表明在俯冲板片中含Ti的四方相毛钙硅石有助于解释地球下地幔的高横波各向异性区的形成机制。


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图1. SrTiO3单晶在高压下弹性变化。左:相转变过程中体积模量()和剪切模量(G )的变化。右:相转变过程中纵波各向异性(AP)和横波分裂各向异性(ASPO)的变化。黄色、青色和绿色区域分别代表立方相、四方相以及未知相。


SrTiO3单晶立方相到四方相转变引起的弹性异常


研究背景

毛钙硅石(CaSiO3)是地球下地幔中丰度排名第三的矿物,理解毛钙硅石在下地幔条件下的弹性性质有利于理解地球内部的速度结构。由于毛钙硅石只能稳定存在于高温高压条件下,难以被淬火到常温常压。因此,实验上测量毛钙硅石在高压条件下的弹性,特别是其晶体的速度各向异性具有很大的挑战性。SrTiO3单晶与毛钙硅石具有相同相变体系,且在室温条件下Pm3-m空间群保持稳定。因此,研究SrTiO3的相稳定性和弹性性能是理解毛钙硅石从立方到四方相变过程中弹性的变化的关键。


内容简介

最近,吉林大学超硬材料国家重点实验室周强、李芳菲课题组,发现了单晶SrTiO3从立方相到四方相转变过程中引起的弹性异常现象前人研究表明,毛钙硅石在下地幔的出现有利于解释地震学观测到的在下地幔顶部的剪切波低速异常以及下地幔底部的大规模低剪切波速区(LLSVPs)。然而,由于毛钙硅石难以淬火到常压的特点,毛钙硅石受压力影响下的弹性各向异性尚不明确。SrTiO3和毛钙硅石(CaSiO3)在高压下空间群都经历从Pm3-m(立方)到 I4/mcm(四方)的转变。因此SrTiO3可以作为毛钙硅石的类似物用来研究毛钙硅石在相转变过程中引起的弹性变化。


研究组人员李新阳博士(文章通讯作者)、博士研究生张才姿(第一作者)利用拉曼散射以及布里渊散射对SrTiO3单晶在0–27.5 GPa压力范围内的弹性性质进行了测量。根据得到的弹性常数,研究人员对SrTiO3相变的Landau模型进行更为精确的计算。研究结果显示,SrTiO3立方相到正交相的相变导致剪切模量G 的明显下降。此外,此相变导致纵波以及横波分裂各向异性的明显增高。


研究意义和重要性

该工作证明了在下地幔底部,如果含一定量Ti的毛钙硅石在下地幔发生由立方相到四方相的转变,那么毛钙硅石的横波分裂各向异性会增加21.7%。因此,含Ti的四方相毛钙硅石在下地幔的出现可以为下地幔观测到的高横波分裂各向异性区提供一个合理的解释。


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