Погружающаяся океаническая литосфера доставляет в нижнюю мантию значительное количество базальта срединно-океанических хребтов (MORB). Части этой коры могут отслаиваться и накапливаться на границе верхней и нижней мантии, образуя химически отличные слои, которые связывают с сейсмическими аномалиями: пониженными скоростями сдвиговых волн и повышенной электропроводностью. Давемоит составляет около 23 объёмных процентов субдуцированной океанической коры и является одной из самых медленных сейсмических фаз в нижней мантии. Именно поэтому его фазовый переход из тетрагональной в кубическую структуру, сопровождающийся спонтанной деформацией и размягчением упругих модулей, может существенно влиять на сейсмические скорости. Однако экспериментальные данные о температуре этого перехода были противоречивы: ранние измерения с внешним нагревом давали около 600 К, тогда как теоретические расчёты предсказывали 1200–2000 К. Работа стоит на отшибе от соседей по архиву, которые в основном изучают магнитные материалы и сверхпроводимость, но тематически близка к исследованиям графена и коллективного поведения, поскольку также касается структурных искажений и фазовых переходов в конденсированных средах.
Авторы использовали ячейку с алмазными наковальнями и лазерным нагревом (LHDAC) в сочетании с синхротронной рентгеновской дифракцией на источнике SPring-8 (линия BL10XU). Образцы чистого CaSiO3 и стекла состава CaSi0.75Ti0.25O3 помещали между золотыми фольгами (маркер давления) и плёнками из борированного алмаза (лазерный поглотитель), окружёнными KCl в качестве среды, передающей давление. Нагрев осуществляли волоконным лазером с двух сторон, температуру измеряли спектрорадиометрической пирометрией с точностью около 10%. Давление определяли по параметру решётки золота. Дифракционные картины анализировали, подгоняя пики под кубическую (Pm-3m) и тетрагональную (P4/mmm) модели. Переход фиксировали по резкому изменению ширины пика (200) на полувысоте и по скачку отношения c/a. Дополнительно провели синхротронную инфракрасную Фурье-спектроскопию (FTIR) в ячейке с внешним нагревом до 1000 К, чтобы подтвердить переход по изменению колебательных спектров.
Для чистого CaSiO3 переход из тетрагональной в кубическую фазу наблюдался при температурах от 1470 К при 50 ГПа до 1990 К при 84 ГПа. Это на 500–1000 К выше, чем в предыдущих экспериментах с внешним нагревом, но согласуется с теоретическими предсказаниями. Для состава CaSi0.75Ti0.25O3 граница перехода оказалась ещё выше: от 1300 К при 15 ГПа до 2410 К при 68 ГПа, то есть примерно на 600–700 К выше, чем для чистого давемоита при тех же давлениях. Таким образом, титан стабилизирует тетрагональную фазу. Экстраполяция на реалистичное содержание титана в субдуцированном MORB (5–10 мол.%) даёт переход на глубинах от 700 до 1200 км вдоль холодной геотермы плиты. Также определены термические уравнения состояния: для кубического CaSiO3 V0 = 45.54 ų, K0 = 243 ГПа, γ0 = 1.47; для тетрагонального CaSi0.75Ti0.25O3 V0 = 48.9 ų, K0 = 214 ГПа. Плотность давемоита с 25% титана на 1.2–1.5% ниже, чем у чистого, но всё равно на 1.5–3.4% выше плотности окружающей мантии.
Результаты разрешают давнее противоречие между экспериментами и теорией: переход действительно происходит при высоких температурах, как предсказывали расчёты. Это меняет представление о том, где давемоит находится в кубической фазе в мантии. В холодных субдуцированных плитах он остаётся тетрагональным до глубин более 2000 км, а в горячих областях у границы ядро–мантия может переходить в кубическую фазу. Такая чувствительность к температуре и составу позволяет объяснить сейсмические рассеиватели в средней нижней мантии, где наблюдаются понижения скорости сдвиговых волн до 12%, и вклад в крупные области с низкой скоростью сдвига (LLSVPs) у основания мантии. Работа отличается от соседей по архиву тем, что изучает фазовый переход в минерале при экстремальных давлениях и температурах, а не магнитные или сверхпроводящие свойства, и впервые напрямую измеряет границу перехода в лазерно-нагреваемой ячейке, а не экстраполирует её из низкотемпературных данных.
Тема может развиваться в сторону более детального изучения влияния других примесей, таких как алюминий и водород, на температуру перехода. Также важно измерить упругие свойства давемоита вблизи перехода, чтобы количественно связать его с сейсмическими скоростями. Развитие методов лазерного нагрева и синхротронной дифракции позволит достичь ещё более высоких давлений и температур, приближаясь к условиям самой границы ядро–мантия. Кроме того, моделирование мантийной конвекции с учётом нового фазового перехода поможет проверить гипотезы о происхождении LLSVPs.
Результаты повлияют на геофизику и минералогию нижней мантии, особенно на интерпретацию сейсмических данных и модели химической неоднородности. Они также важны для понимания судьбы субдуцированной океанической коры и её роли в тепловой и химической эволюции Земли.
Следующим шагом будет измерение скоростей звука в давемоите при высоких давлениях и температурах вблизи фазового перехода. Также необходимо исследовать влияние реалистичных концентраций титана (5–10%) и других примесей на границу перехода.
Работа напрямую связана с проблемой объяснения сейсмических аномалий в нижней мантии, в частности рассеивателей в средней мантии и крупных областей с низкой скоростью сдвиговых волн у границы ядро–мантия. Она также касается вопроса о химической гетерогенности мантии и судьбе погружающихся плит, который остаётся одной из ключевых нерешённых проблем геофизики.
Давемоит был официально признан минералом только в 2021 году, хотя его существование в нижней мантии предполагали десятилетиями. Название дано в честь геофизика Хо-Кванга (Дэвида) Мао, который внёс огромный вклад в изучение минералов при высоких давлениях.