Mechanismus druckinduzierter Spin-Übergänge in Fe-führenden Mineralen

Fe2+ und Fe3+ sind die häufigsten Übergangsmetallionen (3dN-Ionen) in den Mineralen des Erdmantels. Beide Fe2+ (d6-) und Fe3+ (d5-elektronische Konfiguration) können bei Drücken und Temperaturen des Erdmantels von der "high-spin" Konfiguration in die "low-spin" Konfiguration übergehen. Solche druckinduzierten Spin-Übergänge wurden schon in den 1960er Jahren von W. S. Fyfe vorhergesagt. Dieses Phänomen würde zu beachtlichen Änderungen in wichtigen geophysikalischen Eigenschaften führen, wie z.B. in der Elastizität und Leitfähigkeit aber auch zu einem unterschiedlichen geochemischen Verhalten, z.B. bezüglich der Elementfraktionierung. Daher könnten HS-/LS-Übergänge einen großen Einfluss auf die Struktur und Dynamik der Erde haben.

Die HS-/LS- Übergänge von Eisen in den elektronischen Energieniveaus von Fe2+ und Fe3+ können am besten in optischen Absorptionsspektren beobachtet werden, jedoch werden die Eigenschaften kontrovers diskutiert. Um ein klareres Bild darüber zu bekommen, wie die optischen Spektren sich während des Spin-Übergangs ändern, wollen wir druckabhängige Spektren über den Spinübergang hinaus an einem Material mit einem einfachen aber intensiven Spektrum messen. Wir hoffen, so den zugrunde liegenden fundamentalen Prozess besser zu verstehen. Das Material der Wahl sind Minerale der Triphylit-Lithiophylit-Serie.

Abb.: Polarisierte optische Absorptionsspektren von einem Mineral der Triphylit-Lithiophylit-Serie bei Raumbedingungen mit Fe2+ in HS-Zustand. Mit steigendem Druck verschieben sich die optischen Banden zu höheren Wellenzahlen. Bei Drücken > 50 GPa erwarten wir einen Übergang des Fe2+ in den LS-Zustand und ein komplett unterschiedliches Absorptionsverhalten.

Kontakte

Prof. Dr. Monika Koch-Müller

Dr. Ilias Efthimiopoulos

Dr. Maribel Núñez-Valdez

Partner

Dr. Alexandra Friedrich, Institut für Anorganische Chemie, Universität Würzburg

Dr. Hanns-Peter Liermann, Deutsches Elektronen-Synchrotron Hamburg

Dr. Ulrich Schade, Helmholtz Zentrum Berlin, Institut Methoden der Materialentwicklung

Prof. Michail Taran, Institute of Geochemistry, Mineralogy and Ore Formation, Kyiv

Prof. Dr. Max Wilke, Institut für Erd- und Umweltwissenschaften, Universität Potsdam

 

 

 

Funding

DFG, GFZ