행성내부 구성물질의 원자핵 스핀간의 상호관계 규명

국문 초록 (Abstract)

원자핵은 고유의 스핀을 가지고 있으며, 원자핵스핀이 주변의 핵스핀 및 전자와 어떻게 상호작용하는지에 대한 정보로부터 지구물질의 자세한 원자구조를 규명할 수 있습니다. 이러한 원자핵스핀 상호작용은 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance) 과정의 구조변수로 정량화할 수 있습니다. 이러한 구조 변수들 중에 특히 원자핵스핀 주변의 전자배열을 설명하는 화학적차폐 텐서, 그리고, 원자핵의 사중극자모멘트와 전자장 그래디언트의 상호관계로부터 격자의 변형의 정도를 설명할 수 있는 사중극자상호 상수들의 압력에 따른 변화를 정립하여, 현재까지 잘 알려지지 않은 지구/행성 내부의 극한 환경 하에서의 비정질 지구물질의 구조 변화를 규명할 수 있습니다. 이러한 중요성에도 불구하고, 지구내부에서의 비정질 산화물의 원자핵스핀의 자세한 상호작용은 백만기압이상의 극한고압환경에서 보고된 바가 없습니다. 본 연구에서는 양자계산에 바탕을 둔 핵자기 공명 분광분석(NMR)을 이용하여 백만기압 이상의 극한 압력에서 비정질 MgSiO₃ 용융체의 Mg, Si 및 O 주위의 자세한 원자구조의 변화를 규명하였습니다. 비정질 용융체의 양이온들의 연결도와 배위수의 증가가 백만기압이상의 압력에서도 점이적으로 증가합니다. 더하여, Si-O 결합 길이의 비선형 변화, Mg-O 거리의 체계적인 감소, 압력에 따른 Si-O-Si 결합 각도의 감소는 사중극자 상호계수와 화학적 차폐의 비선형 변화를 초래합니다(1). 이러한 변화를 기반으로 행성 내부의 비정질 MgSiO₃ 내의 O-17, Mg-25, Si-29의 원자구조와 NMR 매개변수 사이의 관계를 최초로 확립했습니다. 더하여, 압력 증가에 따른 NMR 변수들의 분산이 증가로 부터 극한 압축 하에 비정질 산화물 위상 엔트로피는 증가하는 경향이 있습니다. 이는 하부 맨틀의 고밀도 비정질 용융체의 점성도가 급격히 감소하는 것을 지시합니다. 본 연구는 향후 다양한 복잡한 자연계 비정질 용융체의 메가바 압력 이상 하의 원자구조와 핵 스핀 상호작용을 연결하는 토대를 제공할 것으로 예상하며, 이로부터 마그마바다의 진화 연구의 새로운 창을 열 수 있을 것으로 기대합니다.