近日，厦门大学物理学系计算凝聚态物理团队以厦门大学为第一单位，在地球物理权威期刊《Geophysical Research Letters》发表题为“Deep-Learning-Based Prediction of the Tetragonal à Cubic Transition in Davemaoite”的学术论文(DOI: 10.1029/2023GL108012)。

研究背景及成果

地幔矿物的相变是影响地球深部结构及其动力学演化的重要因素。毛钙硅石（Davemaoite）是地幔中储量丰富且具有重要地球化学意义的矿物，因著名地球物理学家毛河光院士而得名，其含量约占整个下地幔体积的5-10%。随着温度和压力的变化，毛钙硅石会发生从四方晶相向立方晶相的转变。然而，毛钙硅石的四方相与立方相之间的相边界一直存在争议。由于毛钙硅石在常温常压环境下无法稳定存在，压力卸载后会退变为无定形结构，这使得对其进行实验研究非常困难。此前的研究（Thomson et al., 2019, Nature）通过实验测量结合理论计算，提出毛钙硅石的四方-立方相边界接近冷俯冲板块绝热线，并用此解释下地幔中部地震波散射体的起源。然而，毛钙硅石在高温下的强烈非简谐效应限制了常规第一性原理计算方法的使用，极大影响了相界理论计算的准确性。

近年来，机器学习在物质科学中的发展极大拓展了理论计算与预测的精度与广度，使得基于量子力学的第一性原理方法逐渐能够精确研究极端高温高压条件下的物性与相变。最近，厦门大学物理科学与技术学院的研究团队结合第一性原理计算和机器学习方法，构建了可描述下地幔高温高压条件下毛钙硅石物性的机器学习原子作用势函数，并以此为基础通过热力学计算方法，精确描述毛钙硅石的高温高压稳定性与相界。

图1 机器学习势计算(a) 70 GPa、0 K条件下四方相和立方相毛钙硅石的声子谱，(b)立方相在1500 K、2500 K和3500 K下的高温声子谱。

        研究团队预测了在300-3000K和30-130GPa的广泛温压范围内，毛钙硅石四方相和立方相的吉布斯自由能，并由此重新构建了四方-立方相边界。研究发现，该相边界能够很好地解释先前实验的测量结果。根据目前的相界，毛钙硅石在下地幔温度压强条件下不会发生立方-四方相变。因此，地幔中部地震波散射体无法用毛钙硅石的结构相变来解释，这否定了Thomson等人此前的理论。这项研究为理解地球下地幔地震波速异常的起源提供了重要信息，通过热力学计算得到的自由能数据对进一步描述毛钙硅石固溶体物质的热力学性质和稳定性具有重要意义，所发展的方法为准确计算极端条件下的热力学相图开辟了新的途径。

图2 毛钙硅石的立方-四方相边界。

研究相关

计算凝聚态物理研究组博士生吴福伦为论文第一作者，物理学院孙阳副教授和吴顺情教授以及哥伦比亚大学的Renata Wentzcovitch教授为通讯作者，厦门大学物理学系为第一单位。研究工作得到了国家自然科学基金（12374015，42374108）等经费资助。