Kvantemekanik inde i Jordens kerne

Uden et magnetfelt ville livet på Jorden være temmelig ubehageligt:​​Kosmiske partikler ville passere gennem vores atmosfære i store mængder og beskadige cellerne i alle levende væsener. Tekniske systemer vil ofte fungere, og elektroniske komponenter kan i nogle tilfælde blive ødelagt fuldstændigt.

På trods af dens enorme betydning for livet på vores planet, det er stadig ikke helt kendt, hvad der skaber Jordens magnetfelt. Der er forskellige teorier om dens oprindelse, men mange eksperter anser dem for utilstrækkelige eller mangelfulde. En opdagelse foretaget af forskere fra Würzburg kan give en ny forklarende vinkel. Deres resultater blev offentliggjort i det aktuelle nummer af tidsskriftet Naturkommunikation . Derfor, nøglen til effekten kunne være skjult i den særlige struktur af elementet nikkel.

Modsætning mellem teori og virkelighed

"Standardmodellerne for Jordens magnetfelt bruger værdier for den elektriske og termiske ledningsevne af metallerne inde i vores planets kerne, der ikke kan firkantes med virkeligheden, "Siger Giorgio Sangiovanni; han er professor ved Institut for Teoretisk Fysik og Astrofysik ved Würzburg Universitet. Sammen med ph.d. -studerende Andreas Hausoel og postdoc Michael Karolak, han er ansvarlig for det internationale samarbejde, der blev offentliggjort for nylig. Blandt deltagerne er Alessandro Toschi og Karsten Held fra TU Wien, der er langsigtede samarbejdspartnere for Giorgio Sangiovanni, og forskere fra Hamborg, Halle (Saale) og Jekaterinburg i Rusland.

I Jordens centrum i en dybde på omkring 6, 400 km, der er en temperatur på 6, 300 grader Celsius og et tryk på cirka 3,5 millioner bar. De dominerende elementer, jern og nikkel, danner en massiv metalbold under disse betingelser, der udgør Jordens indre kerne. Denne indre kerne er omgivet af den ydre kerne, et væskelag bestående mest af jern og nikkel. Strømning af flydende metal i den ydre kerne kan intensivere elektriske strømme og skabe Jordens magnetfelt - i hvert fald ifølge den almindelige geodynamo -teori. "Men teorien er lidt selvmodsigende, ”Siger Giorgio Sangiovanni.

Båndstruktur induceret korrelationseffekter

"Dette skyldes, at jern ved stuetemperatur adskiller sig markant fra almindelige metaller som kobber eller guld på grund af dets stærke effektive elektron-elektron-interaktion. Det er stærkt korreleret, "erklærer han. Men virkningerne af elektronkorrelation dæmpes betydeligt ved de ekstreme temperaturer, der hersker i Jordens kerne, så konventionelle teorier er anvendelige. Disse teorier forudsiger derefter en alt for høj varmeledningsevne for jern, der er i modstrid med geodynamo -teorien.

Med nikkel er tingene anderledes. "Vi fandt nikkel for at udvise en tydelig anomali ved meget høje temperaturer, "forklarer fysikeren." Nikkel er også et stærkt korreleret metal. I modsætning til jern, dette skyldes ikke elektron-elektron-interaktionen alene, men skyldes hovedsageligt den særlige båndstruktur af nikkel. Vi døbte effekten 'båndstrukturinduceret korrelation'. "Båndstrukturen af ​​et fast stof bestemmes kun af det geometriske layout af atomerne i gitteret og af atomtypen.

Jern og nikkel i Jordens kerne

"Ved stuetemperatur, jernatomer vil arrangere på en måde, så de tilsvarende atomer er placeret i hjørnerne af en imaginær terning med et centralt atom i midten af ​​terningen, danner en såkaldt bcc gitterstruktur, "Tilføjer Andreas Hausoel. Men når temperaturen og trykket stiger, denne struktur ændres:Atomer bevæger sig tættere sammen og danner et sekskantet gitter, som fysikere omtaler som et hcp -gitter. Som resultat, jern mister de fleste af sine korrelerede egenskaber.

Men ikke sådan med nikkel:"I dette metal, atomerne er så tæt pakket som muligt i terningstrukturen allerede i normal tilstand. De beholder dette layout, selv når temperatur og tryk bliver meget store, "Forklarer Hausoel. Den usædvanlige fysiske opførsel af nikkel under ekstreme forhold kan kun forklares ved samspillet mellem denne geometriske stabilitet og elektronkorrelationer, der stammer fra denne geometri. På trods af at forskere hidtil har negligeret nikkel, det ser ud til at spille en stor rolle i Jordens magnetfelt.

Afgørende tip fra geofysik

Det, der foregår inde i Jordens kerne, er ikke det egentlige fokus for forskning ved afdelingerne for teoretisk faststoffysik ved University of Würzburg. Snarere Sangiovanni, Hausoel og deres kolleger koncentrerer sig om egenskaberne af stærkt korrelerede elektroner ved lave temperaturer. De studerer kvanteeffekter og såkaldte multi-partikeleffekter, som er interessante for den næste generation af databehandlings- og energilagringsenheder. Superledere og kvantecomputere er nøgleordene i denne sammenhæng.

Data fra eksperimenter bruges ikke i denne form for forskning. "Vi tager atomernes kendte egenskaber som input, omfatte indsigterne fra kvantemekanikken og forsøge at beregne adfærden for store klynger af atomer med dette, "Siger Hausoel. Fordi sådanne beregninger er meget komplekse, forskerne er nødt til at stole på ekstern støtte som f.eks. SUPERMUC -supercomputeren på Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i Garching.

Og hvad har Jordens kerne at gøre med dette? "Vi ville se, hvor stabile de nye magnetiske egenskaber ved nikkel er, og fandt dem til at overleve selv meget høje temperaturer, "Siger Hausoel. Diskussioner med geofysikere og yderligere undersøgelser af jern-nikkellegeringer har vist, at disse opdagelser kan være relevante for, hvad der sker inde i Jordens kerne.