A Bader’s topological approach for the characterization of pressure induced phase transitions

Abstract

In questo lavoro è stata messa a punto una metodologia basata sull’analisi topologica della densità elettronica secondo la teoria di Bader che ha permesso di indagare la stabilità di fasi mineralogiche in condizioni di alta pressione. In una prima fase è stata caratterizzata la decomposizione della ringwoodite (olivina-γ) in Mg-perovskite e periclasio ( post spinel phase transition) che si ritiene essere responsabile della discontinuità sismica che si osserva a 660 Km di profondità, tra la zona di transizione del mantello ed il mantello inferiore. Lo scopo del lavoro è stato quello di ottenere informazioni sulla disposizione degli elettroni nella struttura cristallina e sulla evoluzione al variare delle condizioni di pressione. L’analisi effettuata ha mostrato l’instaurarsi di una forte instabiltà strutturale (caratterizzata da una “conflict catastrophe”) nella ringwoodite a circa 30 GPa. Tale risultato conferma il coinvolgimento della transizione di fase “post-spinel”nella discontinuità sismica a 660 Km. In una seconda fase la procedura è stata applicata alla fase Mg-perovskite allo scopo di testarne la validità. Lo studio dell’evoluzione della topologia della densità elettronica nel range di pressione da 0 a 200 GPa ha permesso di individuare una regione di stabilità della fase perovskitica (da circa 22 a circa 124 GPa) delimitata tra due “fold catastrophes”. Le due “fold catastrophes” si hanno entrambe in prossimità di discontinuità sismiche: la prima, attribuita alla transizione di fase da ringwoodite a Mg-perovskite + periclasio corrisponde alla discontinuità sismica a 660 Km e la seconda, attribuita alla transizione da Mg-perovskite a post-perovskite a circa 130 GPa, osservata a circa 2600 Km di profondità, tra il mantello profondo e il D′′-layer, poco prima della discontinuità di Gutemberg a 2900 Km.