Bí mật bên trong tâm Trái Đất: Phát hiện trạng thái vật chất 'vừa rắn vừa lỏng'

Trong nhiều thập kỷ, nhân loại vẫn luôn hình dung về lõi trong của Trái Đất như một khối sắt đặc, cứng rắn và bất biến dưới áp suất khổng lồ. Tuy nhiên, một nghiên cứu đột phá vừa được công bố trên tạp chí National Science Review đã làm đảo lộn quan niệm truyền thống này.

Các nhà khoa học đã xác nhận sự tồn tại của một trạng thái vật chất kỳ lạ mang tên "siêu ion" ngay tại trung tâm hành tinh chúng ta, nơi vật chất tồn tại ở một dạng lai độc đáo: vừa giữ được khung xương của chất rắn, vừa có sự linh động của chất lỏng. 

Nghịch lý về "trái tim" mềm dẻo của Trái Đất bắt đầu từ những năm 1930, khi các dữ liệu địa chấn cho thấy một hiện tượng khó hiểu. Dù nằm dưới áp suất cực đại, lõi trong không hề cứng như thép lạnh mà lại có vận tốc trượt rất thấp, biểu hiện sự mềm dẻo giống như bơ. Để giải mã ẩn số này, nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi nhà vật lý Youjun Zhang từ Đại học Tứ Xuyên và nhà địa vật lý Yu He từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã tiến hành một thí nghiệm táo bạo nhằm tái hiện điều kiện khắc nghiệt sâu hàng ngàn kilomet dưới lòng đất.

Bí mật bên trong tâm Trái Đất: Phát hiện trạng thái vật chất 'vừa rắn vừa lỏng'

Các chuyên gia đã sử dụng một khẩu súng khí hai giai đoạn có độ chính xác cực cao để bắn các viên hợp kim sắt–cacbon siêu nhỏ với tốc độ kinh hoàng, lên tới hơn 7 km/giây. Cú va chạm cực mạnh này đã tạo ra sóng sốc nén mẫu hợp kim tới áp suất 140 gigapascal và nhiệt độ khoảng 2.600 Kelvin. Mặc dù đây chỉ là những khoảnh khắc ngắn ngủi tính bằng nano giây, nhưng các cảm biến siêu nhanh và hệ thống laser đã kịp ghi lại một trạng thái vật chất chưa từng thấy trong thực nghiệm địa chất trước đây.

Kết quả cho thấy, trong điều kiện này, hợp kim sắt–cacbon chuyển sang pha siêu ion. Đây là một cấu trúc kỳ lạ, nơi các nguyên tử sắt vẫn giữ nguyên vị trí để tạo thành một khung tinh thể rắn chắc, đóng vai trò như bộ khung cố định. Ngược lại, các nguyên tử nhẹ như cacbon lại không bị trói buộc; chúng di chuyển tự do và linh hoạt xuyên qua lưới tinh thể sắt, giống như những vũ công len lỏi qua một điệu múa vòng. Sự kết hợp này khiến vật chất mất đi độ cứng vốn có và trở nên "mềm" hơn, giải thích hoàn hảo cho việc tại sao sóng địa chấn lại di chuyển chậm lại khi đi qua lõi Trái Đất.

Tiến sĩ Youjun Zhang ví von sự tương tác này giống như cặp đôi huyền thoại Batman và Robin, trong đó khung sắt đóng vai trò chủ đạo, kiên cố, còn cacbon là người đồng hành linh hoạt, di động. Phát hiện này không chỉ chấm dứt những tranh cãi kéo dài về thành phần và tính chất vật lý của lõi hành tinh, mà còn mở ra một chương mới trong việc nghiên cứu từ trường Trái Đất. Chính sự chuyển động không ngừng của các hạt điện tích trong trạng thái động này có thể là chìa khóa để hiểu rõ hơn về cách hành tinh của chúng ta duy trì "tấm khiên" bảo vệ sự sống khỏi bức xạ vũ trụ.

Việc rời xa mô hình lõi tĩnh, cứng nhắc để tiến tới một mô hình động và linh hoạt hơn cho thấy hiểu biết của chúng ta về thế giới dưới chân mình vẫn còn rất sơ khai. Thành công của thí nghiệm này không chỉ giúp giải mã quá khứ và cấu trúc của Trái Đất mà còn cung cấp những dữ liệu quý giá để các nhà khoa học dự đoán đặc điểm của các hành tinh đá khác trong vũ trụ, nơi những trạng thái vật chất siêu ion tương tự có thể đang âm thầm tồn tại.