再刻荒村夜话

嗯，写作业郁闷了，来发泄下。

再过2个小时这一部分的实验就结束了。我花了一个星期左右的时间比较清楚的理解了我们实验室大概是做什么的。行政上说，我们实验室在地球物理系下面。但是和正统的球系不一样，我们实验室本质上还是做固体物理实验的。

地球上到处是岩石，虽然看上去很像一堆乱七八糟的东西混在一起，但是它们绝大多数是由晶体构成的（即使沉积岩放大了也能看到晶体）。有的时候，虽然急速冷却会造成玻璃状物质，但是形成的固体里面也是晶体居多，只是形成的晶粒很小（比如海底的枕状玄武岩 pillow basalt，是岩浆遇到海水淬火形成的，但是只是晶粒比较小而已）。

说到岩浆，地球是地壳，地幔和地核组成的，其中地壳是固体，不然否则我们很快就掉到地底下去了。可是跟我以前以为的不一样的是，地球最深层的地核（其实是内核）是固体，因为那个地方压强太大。即使是地幔，大部分也是固体，不过是玻璃态的，还能对流（插一句，据说地球里面绝大部分水不在海洋，而是在地幔里）。似乎地球只有地核的外部（外核）是液态的。这主要是由于地壳地幔与地核的成分不同。地核几乎全是铁镍。地壳和地幔则是各种金属的硅酸盐或者氧化物（硅酸盐本质上只是金属氧化物和二氧化硅相互掺起来罢了）。铁镍密度大，所以就沉到地球的内部去了，留下氧化物和硅酸盐漂在上面。

传统上研究地球内部是没有办法的，只能从各种痕迹猜测。钻井是没有用的，首先是贵重的仪器，即使钻下去在高温高压下也会化掉，其次，我们根本没有手段达到10公里以上的钻孔。一个有效的手段是地震波。在地球内部矿物的成分和物态发生变化时，地震波的速度会发生改变。通过这种手段可以猜测在那个位置发生了什么变化。但是如果要做到这些，一个很重要的的因素是明确的知道不同温度压强下特定物质的地震波速度（其实也就是声速，因为地震波就是地球内部的物质的机械振动，和声音是一样的）。

可是这样就有了一个问题，我们根本没有手段达到那么深的地方，怎么可能具体的测到那个位置那种温度压强下的声速呢？解决这个问题的一个方法是用人工模拟那种条件下的环境，于是一种叫钻石砧Diamond Anvil Cell的东西就出场了。这就是我要做的东西。

钻石有两个很重要的特点。首先，它很硬，能承受很大的压强（虽然同时它也很脆，急速的压强变化可能导致它直接碎掉，我就目睹了好几回了）；其次，它有很好的光学特性，对很多波段的光或其他电磁辐射是透明的。这一点很重要。石英晶体或者是氧化铝晶体也很硬，但是它们对特殊的光有吸收，所以不能用来做谱学探测。

如果要用钻石砧做实验，首先去买两块钻石，就是结婚戒指用的那种（老板说，成本是1k刀左右一颗），然后把上面的尖角磨平，留出几百平方微米的面积，这样，只要在中间夹上样品，再用螺丝稍微给一些压力，就能达到很大的压强。然后把这些样品拿到需要的光谱去做测试，如果需要高温，可以用红外波段的激光照射，它可以透过钻石达到样品上，然后形成高温。测试完以后，再很缓慢的把压强减下来，这样如果操作的当，钻石还能重复使用。但是我们现在实验用的压强多半是100GPa量级，大概相当于下地幔和上地核的压强，所以，钻石在减压过程中多半会损坏（据老板说，十个里面要碎八九个……）。以前我在纳米中心做实验的时候，觉得喷金什么已经很烧钱了。现在显然是发现还有更烧钱的东西。

钻石砧做测试的谱有很多种，有人做红外或者光学波段的电磁波吸收谱，而我们实验室主要集中研究Mossbauer谱。我个人觉得这个还是很巧妙的，因为在地球的各种矿物中，铁是一个很重要的组成元素，而铁-57又是做Mossbauer谱最好的一个元素，因为它有最大的散射截面。

Mossbauer谱是一个很常见的谱，其实就是核的共振吸收谱，能够很好的检测超精细相互作用，比如核电四极距，核的自旋-轨道耦合效应等等。传统的铁-57Mossbauer谱需要钴-57放射源的14.4keV辐射，但是这样有一个很不好的问题：Co-57的半衰期大概是150天，这样一来，要想正常做实验，至少一年要换一个放射源，不然强度衰减很快。我大四在北大做近代物理实验的时候，做过这个实验，当时奥运会之前，放射源严格管制，三年不许换。我是学期初做的，放射源已经很衰了，我大概是周三做，要到第二天才能收到数据（本来应该一天就可以的）。学期末的时候，似乎是昕航也不知道是彭仂做了同样的实验，据说就要周一做，周五拿数据了。听说第二年这个实验取消了，因为实在没有放射源……现在为了解决这个问题，我们就跑到这荒村Argonne来，用它家的同步辐射做实验。

插一句话，据说实验室最贵的东西不是钻石，而是制备样品需要的富集的铁-57。

同步辐射就是加速器中的电子高速圆周运动时候，能够在运动的速度方向产生很直很强的一束硬X射线。我们用很精细的单色仪把其中14.4keV附近的成分滤出来。虽然只占原辐射的很多很多分之一，这个强度也比传统的放射源强很多了。用这种射线做Mossbauer谱，然后Fe-57核能吸收一定频率的辐射，再经过短暂的弛豫过程将其释放出来。这个释放的辐射会最终被整个晶格吸收，转化成热声子，而声子其实就是晶格振动（也就是声波）的量子化，这个过程可以测出声子谱，而知道了声子谱，处理一下就能得到声速了。这个真的是一个固体物理的过程。

我个人觉得一个有意思的事情是：因为Mossbauer谱能反映核的自旋-轨道耦合超精细相互作用，通过测量高压下的Mossbauer谱，有人发现在～60GPa下，FeO和MgO的混合晶体中，Fe元素的电子自旋状态会发生改变，似乎是从低自旋态激发到高自旋态。这个就很有趣，因为自旋是和原子的磁性相关的，而现在对地球磁场的产生根本没有合理的解释。我之前问过一个师兄，据他说，现在对地磁场的比较有人认同的解释是：地核在自转的过程中，地核里面的铁元素中的核的运动速度和周围电子云的运动速度不一样，所以就产生了环形电流继而产生磁场。我当然是觉得这个解释很牵强。不过也很难说，因为现在根本没有人能观察到那么高的压强下铁到底有什么性质（不是据说在木星上，高压下连氢都能处于超导态，所以才能产生磁场……）。所以在这个方面要是继续做，也许会有些稀奇古怪的发现。

顺便说一句，早晨写到10点，发现有些空时间，恰好Argonne到UChicago有免费大巴，我就一冲动，跑过去了。见到了孙冰同学还有马志莹同学，聊天很开心。不得不感慨下密歇根湖和芝大确实很漂亮。芝大里面都是红叶和哈利波特风的大房子，比蔽校西班牙风的小矮楼拉风多了。而且看到满地的黄叶，不禁想起这个时候北大应该也是黄页纷纷了吧。马志莹同学说，头天她去买菜，在地铁路遇黑人打劫，问她要钱她还没听懂，还Pardon一番，幸亏有黑人姐妹出面相救。我刚庆幸一番Pasadena治安还算良好，回来就收到学校邮件，说有人昨晚回家被枪击了，中两弹，不过最后居然回了家喊校警队救了一命。看来感恩节一来，歹徒们也要攒钱过节了。大家还是多保重，小心为上。

Oct 14
Argonne IL