在地球深处约6000千米处，存在一个致密的固态区域，即地球内核。内核的结晶生长不仅记录着地球深部的演化历史，还会影响外核对流和地磁场的长期演化，对维持地表的宜居环境具有重要意义。地球内核主要由铁构成，同时含有氢等轻元素。近期研究估算，地核中储存的氢可能相当于约9至45个现代海洋所含的氢总量，是地球上规模巨大的潜在氢储库。在地球表面，氢主要以水等化合物的形式存在；而在地心约360万个大气压和6000度的极端条件下，铁氢体系中的氢可呈现超离子态，即铁原子保持固态晶格结构，而氢原子则在晶格间隙中如液体般快速迁移。揭示超离子氢在极端条件下的物理性质及其成分分布，是近年来地球深部研究与行星科学领域的重要课题。

图1. 热力学计算获得的不同极端高压条件下超离子氢在铁中的化学势变化规律，以及由此揭示的地球内核氢径向浓度梯度。IC代表内核，ICB代表内核边界。

理解氢在地核中的含量与分布，关键在于厘清铁氢体系中超离子相的热力学行为及其和液相的平衡关系。为此，研究团队基于此前发展的超离子态自由能计算框架［Phys. Rev. Lett. 136, 016103 (2026)］，开展了大量从头算分子动力学模拟和热力学积分计算，获得了内核温压条件下铁氢体系超离子相和液相的吉布斯自由能，并据此构建了相应的热力学相图。研究团队发现，在热力学平衡条件下，内核中的氢并非均匀分布，而是呈现出由内核边界向中心逐渐降低的径向浓度梯度，即越靠近内核边界，氢浓度越高。这一结果不同于许多地核模型中将轻元素视为均匀分布的简化假设，可能为理解内核的动力学过程、地震学性质以及内外核之间的物质交换提供新的视角。

图2. 不同温压条件下氢的固液配分系数随约化温度的变化规律。

研究还发现，将绝对温度除以纯铁熔点得到约化温度后，不同压强下的铁氢相图呈现出统一规律。理论计算得到的氢固液配分系数，即氢在固态内核与液态外核之间的分配比例，也与较低压强下的实验测量结果表现出一致趋势。这表明，约化温度可能是控制极端条件下氢固液配分行为的关键热力学参量，为连接极高压理论计算与较低压实验测量提供了统一的物理尺度。

相关成果以“Radial gradient of superionic hydrogen in the Earth’s inner core”为题发表在PNAS上（DOI: 10.1073/pnas.2604621123），并受到包括知名科技新闻网站Phys.org在内的多家媒体报道。我院博士研究生吴泽鹏和魏良睿为论文共同第一作者，孙阳教授为通讯作者，厦门大学物理学系为论文第一完成单位。吴顺情教授和美国哥伦比亚大学Renata M. Wentzcovitch教授为该研究提供了重要指导。该工作获得国家自然科学基金青年科学基金项目（B类）和原创探索计划等项目的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2604621123