近日，我校原子与分子物理研究所、深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室张友君研究员联合中国工程物理研究院流体物理研究所、中国地质大学（武汉）等单位，在深地科学研究方面取得重要突破，相关成果以“Molten iron at extreme conditions reveals compositional inhomogeneity in Earth’s lower outer core”为题发表于国际权威学术期刊美国科学院院刊（Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.）。该研究面向地球深部科学的重大前沿问题，发展了高精度冲击高压测温新技术，在接近地核中心的极端压力条件下，系统获取了液态铁的关键热力学参数，揭示了地球外核底部存在显著的成分梯度结构。这一发现为认识地核热演化过程及地磁场长期维持机制提供了关键实验依据，在深地科学与地球物理学领域具有重要意义。

地球内部结构高度复杂，其最深部由富铁物质构成，包括固态内核与液态外核。外核中持续的热-化学对流驱动着地磁场的产生，是地球维持宜居环境的核心动力之一。然而，外核所处环境极端——压力高达数百万大气压、温度达数千摄氏度，使得科学界长期难以直接获取该条件下物质的基础物性参数，特别是液态铁在外核条件下的密度与声速等关键数据缺乏可靠实验约束，导致外核的成分及其演化等核心问题长期存在争议，也制约了对地球深部动力学过程的深入理解。

针对这一国际前沿难题，研究团队采用二级轻气炮冲击压缩技术，将金属飞片加速至约7km/s（超过二十倍音速），在实验室中瞬时实现数百万大气压、数千摄氏度的极端状态，成功再现地核中心的温压条件。在此基础上，团队发展了高时空分辨、高精度的冲击测温方法，实现了冲击熔融铁在最高约364GPa压力下的温度精确测量，并构建了覆盖外核条件范围的压力–温度–密度–声速自洽关系体系，为建立可靠的外核物性模型提供了关键实验支撑。

进一步将实验结果与地震学观测数据进行对比分析发现，地球外核的密度亏损随深度增加而逐渐增大，而纵波声速偏差则随深度逐渐减小（如图）。这种相反的深度依赖关系表明，外核底部存在显著的成分不均一性。研究推断，在外核最底部数百公里范围内，可能存在一个部分结晶的“F层”，其上方则发育有轻元素含量随深度连续变化的成分梯度结构。

当前外核与液态铁之间密度与声速差异随深度变化关系（a–b）以及熔融核的演化示意图（c）

上述成果质疑了传统“外核成分均匀混合”的经典认识，为重新刻画外核的结构特征、成分分布及其对流模式提供了新的实验约束，也为理解地磁场的长期稳定性提供了关键物理基础。同时，该研究所发展的极端条件实验技术与分析框架，还为探索其他类地行星及巨行星内部结构与演化过程提供了重要方法支撑。

本研究中，甘波副研究员为第一作者，张友君研究员与李俊研究员（中物院流体所）为共同通讯作者。主要合作者包括中物院吴强院士、高志鹏研究员以及中国地质大学（武汉）巫翔教授等。本研究是课题组在同一领域继Natl. Sci. Rev. (12, nwaf419, 2025), Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (120, e2309952120, 2023; 119, e2119001119, 2022), Science (375, 146, 2022)和Phys. Rev. Lett. (125, 078501, 2020)等成果之后取得的又一重要进展。该工作得到了深地国家科技重大专项、国家自然科学基金委、四川省自然科学基金委以及博士后科学基金项目等支持。

张友君研究员课题组主要从事极端条件物理学、地球与行星的内部物理学研究。近年来以第一作者或通讯作者在Science, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., Phys. Rev. Lett., Natl. Sci. Rev., Sci. Bull.等国际顶级或著名学术期刊发表论文50余篇，获自然科学基金委优秀青年科学基金，四川省杰出青年科学基金，四川省学术与技术带头人，四川省自然科学二等奖等。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2533391123