Mg-Si-O系で予言されているポストポストペロブスカイト転移は、スーパーアース深部を理解する上で最も基本的な情報の一つですが、実験的に研究するのは極めて困難です。そこで、この系に対応する低圧アナログ物質を、第一原理計算によって提案しました。Mg-Ge-O系およびNa-Mg-F系は、ポストポストペロブスカイト相であるMg₂SiO₄およびMgSi₂O₅を実験的に研究するために、非常に有用な物質群であることが示されました。

地球の下部マントルの主要構成物質であるペロブスカイト型MgSiO3（ブリッジマナイト）は、地球の核マントル境界付近に相当する圧力温度条件で、ポストペロブスカイト(PPV)構造に相転移します。このPPV構造は地球においてはMgSiO3の最終形態ですが、ではもっと高い圧力下では更にどのような相転移が起きうるのでしょうか？すなわち「ポスト」ポストペロブスカイト（ポストPPV）とはどのようなものか、という疑問が出てきます。スーパーアースと呼ばれる、地球よりはるかに重い（およそ地球の１３倍まで、天王星や海王星よりも少ない質量）岩石型系外惑星が数多く見つかっている近年において、このポストPPV転移への疑問は、その重要性を著しく増しています。スーパーアースのマントル深部では、圧力は約2.5TPa程度にまで達し得るので、MgSiO3 PPVがポストPPV転移を起こすことは十分に期待できます。そのような期待のもと、これまでの一連の第一原理計算によって、MgSiO3 PPVは３段階の分解反応を起こすことが予言されています：MgSiO3 PPV →  Mg2SiO4 + MgSi2O5 →  Mg2SiO4 + SiO2 →  MgO + SiO2。また、MgSiO3 PPVがMgOあるいはSiO2と共存している場合は、これらが再結合してMg2SiO4あるいはMgSi2O5になるということも併せて予言されています。この再結合の予言は全く意外なものでした。地球の上部マントルは主にMg2SiO4で構成されているのですが、スピネル型構造をもつMg2SiO4（リングウッダイトとして知られる）はMgOとMgSiO3に分解し、それが上部マントルと下部マントルを分割しています。それと逆の反応がスーパーアースの深部では起こる、ということが予言されたのです。これらのポストPPV転移の計算結果は、実際にスーパーアース内部の数値シミュレーションに応用され始めています。このように、ポストPPV転移はスーパーアース内部を理解する上で欠くことのできないものですが、実験的にはまだ確認されていません。その原因は、予言されている転移圧力が500GPa以上と非常に高く、ダイアモンドアンビルセルの実験でその圧力を達成するのが今なおほぼ不可能であるからです。実験的に確認できなければ、せっかくのポストPPV転移の予言も、絵に描いた餅ではないかと看做されかねません。そこで、低圧アナログ物質の研究が重要になってきます。低圧アナログ物質とは、実験では扱うのが難しい高圧下で起きる構造などの物性を、より低圧で示すことが期待される物質のことです。系外惑星が続々と発見される現在、この低圧アナログ物質の探索はこれまで以上に活発になっています。

本研究成果

本研究では、MgSiO3ブリッジマナイトの低圧アナログ物質候補としてしばしば用いられてきたMgGeO3およびNaMgF3における高圧誘起構造相転移を、第一原理計算によって研究しました。この２つの物質は、どちらも完璧なMgSiO3のアナログ物質では無いのですが、それでもなお、以下にあげる３つの理由によりポストPPV転移を研究するにあたり非常に有用な低圧アナログ物質であることが示されました。理由１：どちらもMgSiO3と同様にPPV転移を示す。理由２：Na-Mg-F系では約20GPaでNaMgF3 PPVが分解する／あるいはMgF2とNaMgF3 PPVが一緒に圧縮されることによりNaMg2F5が生成される。Mg-Ge-O系では約200GPaでMgGeO3 PPVが分解する／あるいはMgOとMgGeO3 PPVが一緒に圧縮されることによりMg2GeO4が生成される。理由３：どちらも究極的にはMgSiO3と同様に２元化合物AXとBX2に分解する、ためです。ごく最近(Dutta et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 116, 19324 (2019))、NaMgF3 PPVで予言されたポストPPV転移が実験的に確認されたことは注目に値します。本研究での提案に基づき、今後低圧アナログ物質を用いて、ポストPPV転移の研究が、ひいてはスーパーアース深部の理解がますます進んでいくことでしょう。