吴忠庆——中国科学技术大学地球和空间科学学院教授

专家信息：

吴忠庆，男，1974年生于浙江义乌，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授。

教育及工作经历：

1997年，获四川大学水利水电工程系学士学位。

2000年，获浙江大学物理系硕士学位。

2003年，获清华大学物理系博士学位。

2003-2005年，获清华大学高等研究中心博士后。

2005起先后在明尼苏达大学化工材料系和南加州大学化工材料系博士后，用第一性原理计算研究材料在高温高压下的物性。 

研究方向：

1. 矿物的晶格动力学和热力学性质。

2. 矿物的热弹性性质和声速。

3. 相变、杂质对矿物性质的影响。

4. 平衡同位素分馏系数。 

承担科研项目情况：

1. Elasticity of ferropericlase at lower mantle PT condition

Elasticity of ferropericlase at 300K (red), 1000K (yellow), 2000K (green), 3000K(blue), and 4000K(purple)

Wu Z., Justo J. F., Wentzcovitch R., “Elastic Anomalies in a Spin-Crossover System: Ferropericlase at Lower Mantle Condition”, Physical Review Letters, 110, 228501 (2013).

Ferropericlase is second abundant mineral at lower mantle. Iron atoms of ferropericlase, which has magnetic moment at ambient pressure, will lose magnetic moment at lower mantle pressure. This transition is called high spin to low spin transition. This study demonstrates that spin transition significantly reduces the bulk modulus but has not such effect on shear modulus because of cubic symmetry of ferropericlase. But if cubic symmetry of ferropericase is broken by non-hydrostatic pressure, spin transition also reduces the shear modulus. This can well explain the discrepancy on shear modulus between two previous experimental measurements. The extrapolation of the experimental shear velocity of ferropericlase to higher temperature and concentration by Murakami et al [2012] introduced large error. The lower mantle composition based on their extrapolation need to be readjusted. Spin transition occurs at broad depth of lower mantle. Its dramatic effect on the elastic modulus must significantly impact our understanding to Earth’s interior. The systematical high pressure and temperature elasticity of ferropericlase obtained by this study will be very useful for us to uncover more the mystery of Earth’s interior. 

Spin effect on other properties of ferropericlase has been discussed in Wu et al (2009) and Wentzcovitch et al (2009). Spin transition of ferropericlase on mantle convection has been discussed in Shahnas et al (2011). 

2. An analytical approach for thermal elasticity of crystals

Elasticity of ferropericlase of forsterite

Wu Z., and Wentzcovitch, R. M, “Quasiharmonic thermal elasticity of crystals: An analytical approach”, Physical Review B, 83, 184115 (2011).

Thermal elastic properties of crystals are defined from second-order derivatives of free energies with respect to strain. In general, this will require calculating free energy under strain. These are exceedingly demanding computations requiring up to ∼103 parallel jobs running on tens or more processors each. Here, we developed an analytical formula to describe second-order derivatives of free energies with respect to strain. This approach decreases the computational effort, i.e., CPU time and human labor, by up to two orders of magnitude because the approach avoids calculating phonon density of states under strain. Results for the major mantle phases periclase (MgO) and forsterite (α-Mg2SiO4) show excellent agreement with previous first-principles results and experimental data. 

The approach has been used to calculated the elasticity of olivine, wadsleyite (Valdez et al GRL 2013), ringwoodite (Valdez et al EPSL 2012), and ferropericlase (Wu et al PRL 2013). 

3. A first principles-based method for anharmonic free energy

Thermal expansion of diamond with (purple) and without (green) anharmonic correction.

Wu Z., “Calculating the anharmonic free energy from first principles”, Physical Review B, 81, 172301 (2010). Wu Z., and Wentzcovitch, R. M, “Effective semiempirical ansatz for computing anharmonic free energies”, Physical Review B, 79, 104304 (2009).

We developed a method to compute anharmonic free energy neglected in quasiharmonic calculations by introducing parametrized temperature-dependent modification of the vibrational density of states. The introduced parameter is a constant and can be calculated through a first-principles molecular-dynamics simulation. The thermodynamics properties of forsterite,periclase, and diamond improve considerably after inclusion of anharmonic effects. 

The method has been used to develop the precise high temperature pressure standard of MgO (Wu et al JGR 2009).

4. Equilibrium fractionation factors of Mg among major upper mantle minerals

Application of clinopyroxene–garnet Mg isotope thermometry to estimating equilibrium temperature of eclogites. 

Huang F., Chen L., Wu Z., Wang W., “First-principles calculations of equilibrium Mg isotope fractionations between garnet, clinopyroxene, orthopyroxene, and olivine: implications for Mg isotope thermometry”, Earth and Planet Science Letters, 367 61-70,2013.

Equilibrium fractionation factors of Mg isotopes at high temperature and pressure are investigated for pyrope,majorite,clinopyroxene,orthopyroxene,andolivine using density functional theory. The results reveal significant inter- mineral Mg isotope fractionations due to different coordination environment of Mg in minerals. Specifically,pyrope,where Mg is in eight-fold coordination,is more enriched in light Mg isotopes than olivine and pyroxene where Mg is in six-fold coordination.The calculated isotope fractionation for Mg isotopes between clinopyroxene and pyrope is consistent with observations from natural eclogites (Li etal.,2011; Wang etal.,2012). Our calculation also reveals substantial pressure effect onMg isotope fractionations among garnet,pyroxene,and olivine. Equilibrium fractionation of Mg isotopes between pyrope and pyroxene(and olivine) could be used as a novel and independent thermometry with precision much better than the traditional garnet– clinopyroxene Fe Mg exchange thermometry because such fractionation is significantly greater than the current uncertainties of Mg isotope analyses. These Mg isotope thermometries could have wide applications in high-temperature mafic igneous and metamorphic rocks where garnet co-exists with pyroxene or olivine. 

科研成果：

1. 发现调制的镐钛酸铅超晶格会出现具有优越铁电性能的新相；在超薄的铁电薄膜中偶极子会形成清晰的蜗旋结构的条文畴，这些发现帮助理解了薄膜的铁电临界尺寸效应、畴结构在电场下不同寻常的反应特性。

2. 利用第一性原理计算所得的MgO状态方程与超高压冲击波实验数据非常符合的特点，提出了一个MgO高温高压绝对压标，并在2010年被基于绝对压标方法的实验全面验证，为解决高压实验压强不一致的问题迈出了关键一步。发展了两个方法：第一个是第一性的计算非谐自由能方法，成倍的增加结果的适用温度范围；第二个是弹性常数的第一性原理计算新方法，其计算量不到常规的方法的十分之一，同时不降低计算精度，为计算众多结构复杂的矿物的弹性奠定了基础。这些有特色的研究，为吴忠庆教授在科研道路上的攀登铺就了牢固的基石。

3. 铁方镁石是下地幔主要矿物之一，其所含铁的原子磁距如何随深度变化，以及进一步如何影响地幔特性是地球科学的一个基本问题。2003年首次在该矿物观测到铁的自旋转变掀起了这个转变对矿物物性特别是弹性影响的研究热潮。吴忠庆教授首次获得了整个地幔温度和压强下的铁方镁石弹性，从理论上指出铁方镁石的立方对称性决定了铁自旋转变只会显著降低体模量、对剪切模量没有类似的效果。但在高压实验极可能出现的偏压会破坏铁方镁石的立方对称性，从而导致部分实验观测到剪切模量的反常降低，这很好地解释了发表在《科学》杂志上不同工作间的分歧。在与地幔波速比较来限定地幔的成分时，通常需要将实验测定的矿物波速数据往高温高压进行大范围的外推，2012年Murakami等人借助于这种外推在《自然》杂志发文称下地幔主要是钙钛矿组成的，与以往高温高压研究所得的结论完全不同，吴忠庆教授通过计算发现Murakami等人的外推显著低估了铁方镁石横波波速，他们关于下地幔的成分结论是不可靠的。研究结果发表在《物理评论快报》上，《科学》杂志在编辑特选栏目以《Spinning Iron in the Mantle》为题介绍了该工作。

4. 利用新发展的弹性方法研究各种矿物的弹性，包括上面自旋转变方面的工作，其它关于不同铁含量下的橄榄石及其高压相的弹性特性已经分别发表在2012年的《地球和行星科学快报》和2013年的《地球物理研究快报》杂志上。

5. 第一性原理计算同位素平衡分馏方面的工作中，发现压强、相变等可以显著影响矿物间Mg、Si同位素分馏特性，揭示辉石和石榴子石之间大的Mg平衡同位素分馏方面，并据此建立的一个Mg同位素地质温度计，上下地幔的主要矿物之间有很大的平衡Si同位素分馏，上下地幔的Si同位素组成因此很可能是不均一的，从而影响地核中Si含量的估计，这些工作分别发表在《地球和行星科学快报》和《地球化学与宇宙化学学报》上。 

论文专著：

已在PNAS，JGR，PRB等杂志发表学术论文30余篇。

代表性论文：

1. Wu, Z., Huang, F., Huang, S., "Isotope fractionation induced by phase transformation: First-principles investigation for Mg2SiO4", Earth and Planetary Science Letters, 409, 339-347, 2015.

2. Wu, Z., "themodynamic properties of wadsleyite with anharmonic effect", Earthquake science, in press.

3. Feng, C., Qin, T., Huang, S., Wu, Z., Fang Huang, "First-principles investigations of equilibrium calcium isotope fractionation between clinopyroxene and Ca-doped orthopyroxene", Geochimica et Cosmochimica Acta (2014).

4. Huang, F., Wu, Z., Shichun Huang, and Fei Wu. "First-principles calculations of equilibrium silicon isotope fractionation among mantle minerals", Geochimica et Cosmochimica Acta, 140 509-520, 2014.

5. Wu, Z., and Renata M. Wentzcovitch. "Spin crossover in ferropericlase and velocity heterogeneities in the lower mantle", Proceedings of the National Academy of Sciences 111, no.29 (2014): 10468-10472.(This work is highlighted by Science)

6. Rui Yang, Wu, Z.. "Elastic properties of stishovite and the CaCl2-type silica at the mantle temperature and pressure: An ab initio investigation", Earth and Planetary Science Letters, Volume 404, 15 October 2014, Pages 14-21, ISSN 0012-821X.

7. Wu Z., Justo J. F., Wentzcovitch R., "Elastic Anomalies in a Spin-Crossover System: Ferropericlase at Lower Mantle Condition", Physical Review Letters, 110, 228501 (2013). (This work is highlighted by Science)

8. Huang F., Chen L., Wu, Z., Wang W., "First-principles calculations of equilibrium Mg isotope fractionations between garnet, clinopyroxene, orthopyroxene, and olivine: implications for Mg isotope thermometry", Earth and Planet Science Letters, 367 61-70,

9. Valdez, M., Wu, Z., Yu, Y., Wentzcovitch, R. "Thermal elasticity of (Fex,Mg1-x)2SiO4 olivine and wadsleyite", Geophysical research letters, 40 290-294,2013. 

10. Valdez, M., Wu, Z., Yu, Y., Revenaugh, J., Wentzcovitch, R. "Thermoelastic properties of ringwoodite (Fex,Mg1-x)2SiO4: Its relationship to the 520 km seismic discontinuity", Earth and Planet Science Letters, 351 115-122, 2012. 

11. Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M，Quasiharmonic thermal elasticity of crystals: An analytical approach", Physical Review B, 83, 184115 (2011).

12. Wu, Z., Nakano, A., Kalia, R. K., and Vashishta, P.," Vibrational and thermodynamic properties of β- HMX: a first-principles investigation", Journal of Chemical Physics, 134, 204509 (2011).

13. Wu, Z, Vashishta, P., Kalia, R., and Nakano, A., "First-principles calculations of the structural and dynamic properties, and the equation of state of crystalline iodine oxides I2O4, I2O5, and I2O6", Journal of Chemical Physics, 134, 204501 (2011).

14. Shahnas M. H.; Peltier W. R.; Wu, Z, and Wentzcovitch R M, "The high-pressure electronic spin transition in iron: Potential impacts upon mantle mixing", Journal of Geophysical Research，116, B08205,(2011). 

15. Wu, Z., "Calculating the anharmonic free energy from first principles",Physical Review B, 81, 172301 (2010).

16. Wentzcovitch, R. M., Yu, Y., and Wu, Z., (2010) "Thermodynamic Properties and Phase Relations in Mantle Minerals Investigated by First Principles Quasiharmonic Theory", Rev. Mineral. Geochem. 71,59-98.

17. Wentzcovitch, R. M., Yu, Y., and Wu, Z. "First Principles Quasiharmonic Thermoelasticity of Mantle Minerals", Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 71 59,

18. Hsu, H., Umemoto, K., Wu, Z., Wentzcovitch, R. M., "Spin-State Crossover of Iron in Lower-Mantle Minerals: Results of DFT plus U Investigations", Reviews in Mineralogy & Geochemistry, 71 169, 2010.

19. Shimojo, F., Wu, Z., Nakano, A.,Kalia, RK., and Vashishta P.,"Density functional study of 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine molecular crystal with van der Waals interactions", Journal of Chemical Physics 132, 094106: 1-8, 2010 

20. Wu, Z., Justo, J. F., da Silva, C. R. S., de Gironcoli, S., and Wentzcovitch, R. M, "Anomalous thermodynamics properties of ferropericlase throughout its spin crossover transition", Physical Review B, 80, 014409 (2009).

21. Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M, Effective semiempirical ansatz for computing anharmonic free energies", Physical Review B, 79, 104304 (2009).

22. Wentzcovitch, R. M., Justo, J. F., Wu, Z., da Silva, C. R. S., Yuen, D. A., and Kohlstedt D.," Anomalous compressibility of ferropericlase throughout the iron spin crossover", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106:8447-8452 (2009). 

23. Yu, Y., Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M.,"α to β to γ transformations in MgSiO4 in Earth's transition zone", Earth and Planet Science Letters, 273,115-122 (2008)

24. Wu, Z., Wentzcovitch, R.M., Umemoto, K., Li, B., Hirose, K., and J. Zheng, "PVT relations in MgO: an ultra-high PT scale for planetary sciences applications" Journal of Geophysical Research,113, B06204 (2008)

25. Sun, T., Umemoto, K., Wu, Z., Zheng J-C, and Wentzcovitch, R. M., "Lattice Dynamics and Thermal Equation of State of Platinum", Physical review B, 78, 024304 (2008)

26. Yu J., Wu, Z., Liu ZR, Yan QM, Wu J, Duan WH, "Phase diagram of ferroelectric BaTiO3 ultrathin films under open-circuit conditions", Journal of Physics-Condensed Matter, 20 135203(2008). 

27. Wu, Z., and Wentzcovitch, R. M., "Vibrational and thermodynamic properties of wadsleyite: a density functional study", Journal of Geophysical Research, 112, B12202 (2007)

28. Wu, Z., Duan WH, Huang ND, Wu J, and Gu BL, "Self-organization nanodomain structure in ferroelectric ultrathin films", Nanotechnology 18,325703(2007)

29. Wu, Z., Huang ND, Liu ZR, Duan WH, Wu J, and Gu BL, "Unusual vortex structure in ultrathin Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 films", Journal of Applied Physsics 101,014112(2007). 

30. Wu, Z., Huang ND, Duan WH, Wu J, and Gu BL, "The phase diagram of ultrathin Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 films under strain," Applied Physics Letters 86, 202903(2005).

31. Wu, Z., Duan WH, Wu J, Gu BL, and Zhang XW, "Dielectric properties of relaxor ferroelectric films," Journal of Applied Physics 98, 094105(2005).

32. Wu, Z., Huang ND, Liu ZR, Duan WH, Wu J, Gu BL and Zhang XW, "Ferroelectricity in Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 thin films: critical thickness and 180o stripe domain," Physical Review B 70, 104108 (2004).

33. Huang ND, Liu ZR, Wu, Z., Duan WH, Gu BL and Zhang XW, "Huge enhancement of electromechanical responses in compositionally modulated Pb(Zr1-xTix)O3," Physical Review Letters 91, 067602 (2003).

34. Wu, Z., Duan WH, Wang Y, Gu BL and Zhang XW, "Effect of defect-induced internal field on the aging of relaxors," Physical Review B 67, 052101 (2003).

35. Wu, Z., Duan WH, Liu ZR, Gu BL and Zhang XW, "Effect of tunneling frequency on relaxor behavior," Microelectric Engineering 66: 676-682 (2003).

36. Wu, Z., Duan WH, Liu ZR, Gu BL and Zhang XW, "Multiple tunneling channels order-disorder ferroelectric model and field-induced phase transition in relaxors," Physical Review B 65, 174119 (2002).

37. Wu, Z. and Zhang XJ, "Charge fluctuations in cuprate superconductors," arxiv: cond-mat/0210455.

38. Wu, Z., Liu ZR, and Gu BL, "Order-Disorder phase transition and dielectric mechanism in relaxor ferroelectrics," Tsinghua Science and Technology 6, 97-108 (2001).

荣誉奖励：

资料更新中……

Phy.Rev.Lett.发表了我们组关于“自旋转变下铁铁方镁石高温高压下弹性”的工作，
Science 在编辑特选栏目以"Spinning Iron in the Mantle"为题介绍了该工作。

 日前，我校地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室吴忠庆教授与来自美国明尼苏达大学的研究人员合作，利用第一性原理计算研究了高温高压下铁自旋 转变对铁方镁石高温高压弹性的影响，解释了不同实验在自旋转变对横波波速影响存在分歧的成因，指出Murakami 等人［Nature 485，90（2012）］外延的铁方镁石横波波速数据 存在极大的误差，由此得出的下地幔主要是钙钛矿的结论是不可靠的。这些系统完整的铁方镁石高温高压弹性数据为我们进一步利用自旋转变效应限定地球内部成分提供了关键的基础。研究结果近期发表在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 110, 228501 (2013)）上，Science杂志在编辑特选栏目以“Spinning Iron in the Mantle”为题介绍了该工作。

地幔中含有大量的铁，这些铁原子的磁矩在高压下是否会发生改变，以及这种改变对矿物性质会带来怎么样的影响，一直是地球科学研究领域的基本问题。2003和2004年，Badro等人从实验上观测到下地幔两大主要矿物——钙钛矿和铁方镁石——中的铁都会在下地幔的压强下经历高自旋到低自旋的转变，掀起了自旋转变对矿物特性包括弹性影响的研究热潮。吴忠庆教授和合作者用第一性原理计算研究了自旋转变对弹性的影响。第一性原理计算是一个解量子力学方程的方法，它无须引入任何经验参数，较易实现高温高压条件且所得的结果跟实验可以媲美，已成为获得矿物高温高压物性的重要方法。理论分析显示，自旋转变会显著降低纵波波速，但类似的现象不会在横波中发生，这是由铁方镁石的立方对称性决定的。但静压环境很难完全在高压实验实现，偏压会破坏铁方镁石的立方对称性，从而出现横波波速的反常降低。这很好地解释了不同实验观察到横波波速行为的分歧，也跟这些实验所采用的传压媒质维持静压条件的能力一致。

通过比较各种矿物在地幔温压条件下的波速和地球深部的波速可以最直接有效的限定地幔的组分。然而，受限于高压高温等实验条件，相关矿物在地幔温度和压强条件下的物性的测量数据非常很有限，必须将这些有限的实验数据进行外延才能讨论下地幔的成分等关键问题。2012年，Murakami 等人借助这种外延得出了下地幔主要是钙钛矿组成的结论(>93%)，与以往高温高压研究所得的结论（地幔岩，~80%钙钛矿）完全不同。避免外延的的一个有效方法是利用第一性原理计算。吴忠庆教授和合作者用第一性原理计算发现Murakami 等人的外延数据有问题。因为计算的结果跟所有测量的实验数据都能很好符合，但Murakami 等人的外延铁方镁石横波波速则普遍比计算的结果要小9%。计算结果表明地幔岩（pyrolite模型）是下地幔很好的组分模型，结果说明直接测量地幔对应的温度压强和成分条件下的物性以避免外延的必要性和迫切性。

本研究课题是在美国自然科学基金和国家自然科学基金面上项目及中科院外国专家局“创新团队国际合作伙伴计划”的资助下完成的。

来源：中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室
 

中国科大研究揭示地幔中部结构成因

中国科学技术大学地球和空间科学学院地震与地球内部物理实验室吴忠庆教授合作研究揭示，下地幔矿物中铁的自旋转变会导致地幔中部的纵波波速对温度变化不敏感，解释了多个地震层析成像观测到的不寻常波速结构的成因，从而为利用自旋转变效应认识地球内部结构打开了一扇门。工作发表在近期的《美国科学院院刊》上，《科学》杂志的编辑特选栏目以“Ample explanation for seismic variation”为题介绍了该工作。这是继2013年吴忠庆教授等人在《物理评论快报》发表自旋转变对铁方镁石弹性不寻常的影响的工作后的又一个重要进展。

自旋转变下热异常产生的P波波速结构示意图

铁方镁石中的铁从有磁矩的高自旋态转变到没有磁矩的低自旋态会显著降其波速，但不同于其它矿物相变有一个明显的波速间断面，铁方镁石中的铁是逐渐从高自旋态过渡到低自旋态，是一个平滑的相变，这导致利用地震学手段探测该转变的努力没有成功，该转变被认为是地震学不可见的。吴教授仔细分析了自旋转变下的弹性数据，发现自旋转变可在地震层析成像图中留下可观测的多个特征，例如它会导致纵波波速在~1750公里深度对温度变化不敏感，其后果就是起源于深部的地幔柱会在~1750公里深度中断，这样的现象已经在夏威夷等地多个热点下的地幔柱纵波成像图中观测到，但一直没有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔边界的热物质上涌流，穿越整个地幔到达岩石圈底部，是板块运动的主要驱动力之一，能够解释地表热点轨迹，大火成岩省形成等众多地质观测现象，因此直接证实地幔柱是地球科学非常重要的一个课题，利用热物质波速慢的特点，地震学成像是目前观测地幔柱主要手段。但实际观测发现多个地幔柱在～1750公里深度波速并没有明显变慢，既上涌热物质在这个深度左右突然变的不热，这很难理解也跟地幔柱的整个概念有冲突，而吴教授的研究结果表明上涌物质其实还是热的，只不过自旋转变下纵波波速在这个深度对温度变化不敏感，给人温度不高的错觉（图1），吴教授的工作给地幔柱模型强有力的支持。由于找到了识别自旋转变的特征，可以预期自旋转变一定会象橄榄石系列相变、后钙钛矿相变一样有力地促进了我们对地球内部结构的认识。

吴忠庆教授系列关于自旋转变的工作受到中国自然科学基金、973计划、中科院海外创新团队等基金的支持，并应邀在AOGS2014, AGU做邀请报告。

来源：中国科学技术大学新闻网 2014-08-05

探秘地球深处

——记中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授 

电影《地心历险记》讲述了一位地质学家深信地底另有世界，于是与侄儿前往冰岛，从火山口潜入地心，体验了地下不为人知的幻妙世界。回到现实，我们所生活的地球内部究竟是怎样的？

科学发展到今天，人们能上“九天揽月”却仍然“入地无门”。因为那是一个复杂的高温高压系统，地球核心的压力约360Pa，温度超过5000℃，研究物质在高温高压下物性因此也就成为探索地球深部物质组成、结构和变化规律的关键一环。从全球范围来看，高压科研仍处于萌芽阶段，中国起步更晚。正是在这一需求下，吴忠庆教授作为计算研究矿物高温高压物性的海外杰出人才被引进回国。 

初尝科研快乐 

吴忠庆教授1997年毕业于四川大学水利水电工程系获学士学位，源于发自心底对物理的兴趣，同年考入浙江大学物理系攻读硕士学位，在这里受到高温超导研究的耳濡目染，重新思考高温超导体中的空穴配对的概念，提出新观点解释高温超导的多个实验结果，初尝获得新发现的快乐，感受到科学研究迷人的魅力。自此，也坚定了从事科学研究的决心。

2000年，吴忠庆考入清华大学物理系攻读博士学位，在顾秉林院士和段文辉教授组从事铁电材料特性的计算研究。在宽松、自由、活跃的学术氛围下，他发现调制的镐钛酸铅超晶格会出现具有优越铁电性能的新相；在超薄的铁电薄膜中偶极子会形成清晰的蜗旋结构的条文畴，这些发现帮助理解了薄膜的铁电临界尺寸效应、畴结构在电场下不同寻常的反应特性。

尽管当时吴忠庆教授在铁电方面研究工作取得了可喜的成果，但他却不安于现状，在导师顾秉林院士和段文辉教授的鼓励下，决定出国留学，开拓视野、拓宽研究领域。

探索高温高压下的矿物物性 

2005年6月，吴忠庆教授来到美国明尼苏达大学化工材料系进行博士后研究，开始从事第一性原理计算研究矿物高温高压下的物性。合作导师Renata Wentzcovitch教授是第一性原理计算研究矿物高温高压物性领域的杰出学者，近些年来领导的课题组在矿物物理领域的两大进展——后钙钛矿相变和铁的自旋转变中做出了重要贡献。其中，计算矿物弹性更是她领导的研究组的一大特点。

吴忠庆教授介绍说，诸如层析成像等地震学反演是他们获得地球内部结构的主要手段，但要解读所得的波速结果需要他们对众多矿物在地球内部温压下的性质有系统的了解，比较矿物聚合体在高温高压下的波速与地球内部波速是最直接限定地球内部成分的方法。矿物高温高压下的物性特别是弹性特性，因此是矿物物理学的核心内容。与高压实验相比，第一性原理计算可以容易地实现高温高压条件，所得结果可以跟实验媲美，在研究中扮演越来越重要的角色。

在国外，吴忠庆教授在该领域取得多个重要成果：例如，利用第一性原理计算所得的MgO状态方程与超高压冲击波实验数据非常符合的特点，提出了一个MgO高温高压绝对压标，并在2010年被基于绝对压标方法的实验全面验证，为解决高压实验压强不一致的问题迈出了关键一步。发展了两个方法：第一个是第一性的计算非谐自由能方法，成倍的增加结果的适用温度范围；第二个是弹性常数的第一性原理计算新方法，其计算量不到常规的方法的十分之一，同时不降低计算精度，为计算众多结构复杂的矿物的弹性奠定了基础。这些有特色的研究，为吴忠庆教授在科研道路上的攀登铺就了牢固的基石。 

回国后再次起航 

鉴于国内高温高压矿物物性研究是一个相对比较薄弱的领域，但同时又是地球科学非常重要的一个方向，中国科学技术大学地球和空间科学学院陈晓非院长力主在2010年引进吴忠庆教授。在学校和学院的大力支持下，他围绕深化地球内部结构认识这个主题开展研究，在几年时间里在该领域做出了多个有影响的成果，为迅速提升我国在该领域的国际影响力打下了一个好的开局。

铁方镁石是下地幔主要矿物之一，其所含铁的原子磁距如何随深度变化，以及进一步如何影响地幔特性是地球科学的一个基本问题。2003年首次在该矿物观测到铁的自旋转变掀起了这个转变对矿物物性特别是弹性影响的研究热潮。吴忠庆教授首次获得了整个地幔温度和压强下的铁方镁石弹性，从理论上指出铁方镁石的立方对称性决定了铁自旋转变只会显著降低体模量、对剪切模量没有类似的效果。但在高压实验极可能出现的偏压会破坏铁方镁石的立方对称性，从而导致部分实验观测到剪切模量的反常降低，这很好地解释了发表在《科学》杂志上不同工作间的分歧。在与地幔波速比较来限定地幔的成分时，通常需要将实验测定的矿物波速数据往高温高压进行大范围的外推，2012年Murakami等人借助于这种外推在《自然》杂志发文称下地幔主要是钙钛矿组成的，与以往高温高压研究所得的结论完全不同，吴忠庆教授通过计算发现Murakami等人的外推显著低估了铁方镁石横波波速，他们关于下地幔的成分结论是不可靠的。研究结果发表在《物理评论快报》上，《科学》杂志在编辑特选栏目以《Spinning Iron in the Mantle》为题介绍了该工作。

铁方镁石的铁自旋转变是一个渐变的过程，不会导致波速跳变，因此似乎是地震学不可见的，吴忠庆教授通过分析铁方镁石弹性数据发现，铁的自旋转变产生的效果完全可以通过层析成像等手段观测到，例如它会导致P波波速在～1750公里深度对温度变化不敏感，起源于深部的地幔柱在该深度“断开”，这样的现象已经在多个层析成像结果中出现，但一直没有得到很好的理解。地幔柱是起源于核幔边界的热物质上涌流，穿越整个地幔到达岩石圈底部，是板块运动的主要驱动力之一，能够解释地表热点轨迹，大火成岩省形成等众多地质观测现象，因此直接证实地幔柱是地球科学非常重要的一个课题，地震学成像是目前观测地幔柱主要手段，利用了热物质波速慢的特点。但实际观测发现多个地幔柱在～1750公里深度波速并没有明显变慢，既上涌热物质在这个深度左右突然变的不热，这是很难理解的，也跟地幔柱的整个概念有冲突，而吴忠庆教授的研究结果表明上涌物质在该深度其实还是热的，只不过由于铁自旋转变，P波波速在这个深度对温度变化不敏感，在P波图像上感受不到高温。吴教授的工作给地幔柱模型强有力的支持。可以预期自旋转变一定会象橄榄石系列相变、后钙钛矿相变一样有力地促进了我们对地球内部结构的认识。研究结果发表在《美国科学院院刊》。

吴忠庆教授的研究工作重点主要是两大方面。一是利用新发展的弹性方法研究各种矿物的弹性，这包括上面自旋转变方面的工作，其它关于不同铁含量下的橄榄石及其高压相的弹性特性已经分别发表在2012年的《地球和行星科学快报》和2013年的《地球物理研究快报》杂志上。另一个是第一性原理计算同位素平衡分馏方面的工作，发现压强、相变等可以显著影响矿物间Mg、Si同位素分馏特性，揭示辉石和石榴子石之间大的Mg平衡同位素分馏方面，并据此建立的一个Mg同位素地质温度计，上下地幔的主要矿物之间有很大的平衡Si同位素分馏，上下地幔的Si同位素组成因此很可能是不均一的，从而影响地核中Si含量的估计，这些工作分别发表在《地球和行星科学快报》和《地球化学与宇宙化学学报》上。

地球科学是一个交叉性特别强的学科，吴忠庆教授在研究中非常关注这一特点，在中科大地空学院自由的学术氛围中积极地开展各种合作。

在认识自然界的过程中，充满各种挑战和困难；在探秘地球深处的过程中，充满无限拓新和神奇，而这些探索对地球形成与演化规律、开发地球资源及减轻自然灾害（如地震等）是有着重要意义的。我们期待吴忠庆教授在探索未知的路上有更多发现和进展！

来源：科学中国人 2014年第8期