Kvantefaseovergang detekteret på global skala dybt inde i Jorden

Jordens indre er et mysterium, især på større dybder (> 660 km). Forskere har kun seismiske tomografiske billeder af denne region og, at fortolke dem, de skal beregne seismiske (akustiske) hastigheder i mineraler ved høje tryk og temperaturer. Med de beregninger, de kan lave 3D-hastighedskort og finde ud af mineralogien og temperaturen i de observerede områder. Når der sker en faseovergang i et mineral, såsom en krystalstrukturændring under tryk, forskere observerer en hastighedsændring, sædvanligvis en skarp seismisk hastighedsdiskontinuitet.

I 2003, videnskabsmænd observerede i et laboratorium en ny type faseændring i mineraler - en spinændring i jern i ferroperiklase, den næststørste bestanddel af Jordens nedre kappe. En spin ændring, eller spin crossover, kan forekomme i mineraler som ferroperiklase under en ekstern stimulus, såsom tryk eller temperatur. I løbet af de næste par år, eksperimentelle og teoretiske grupper bekræftede denne faseændring i både ferropericlase og bridgmanit, den mest rigelige fase af den nedre kappe. Men ingen var helt sikre på, hvorfor eller hvor dette skete.

I 2006 Columbia Engineering Professor Renata Wentzcovitch udgav sit første papir om ferropericlase, giver en teori for spin crossover i dette mineral. Hendes teori foreslog, at det skete på tværs af tusind kilometer i den nedre kappe. Siden da, Wentzcovitch, der er professor i anvendt fysik og anvendt matematik afdeling, jord- og miljøvidenskab, og Lamont-Doherty Earth Observatory ved Columbia University, har udgivet 13 artikler med sin gruppe om dette emne, undersøge hastigheder i alle mulige situationer af spin crossover i ferropericlase og bridgmanit, og forudsige egenskaber af disse mineraler i hele denne crossover. I 2014 Wenzcovitch, hvis forskning fokuserer på beregningsmæssige kvantemekaniske studier af materialer under ekstreme forhold, især planetariske materialer forudsagde, hvordan dette spinændringsfænomen kunne detekteres i seismiske tomografiske billeder, men seismologer kunne stadig ikke se det.

Arbejder med et tværfagligt team fra Columbia Engineering, Universitetet i Oslo, det Tokyo Institute of Technology, og Intel Co., Wenzcovitchs seneste papir beskriver, hvordan de nu har identificeret ferropericlase spin crossover-signalet, en kvantefaseovergang dybt inde i Jordens nedre kappe. Dette blev opnået ved at se på specifikke områder i jordens kappe, hvor ferropericlase forventes at være rigeligt. Undersøgelsen blev offentliggjort 8. oktober, 2021, i Naturkommunikation .

"Dette spændende fund, hvilket bekræfter mine tidligere forudsigelser, illustrerer vigtigheden af, at materialefysikere og geofysikere arbejder sammen for at lære mere om, hvad der foregår dybt inde i Jorden, sagde Wentzcovitch.

Spin overgang er almindeligt anvendt i materialer som dem, der bruges til magnetisk optagelse. Hvis du strækker eller komprimerer blot nogle få nanometer tykke lag af et magnetisk materiale, du kan ændre lagets magnetiske egenskaber og forbedre egenskaberne for medium optagelse. Wentzcovitchs nye undersøgelse viser, at det samme fænomen sker over tusindvis af kilometer i Jordens indre, tager dette fra nano- til makroskalaen.

"I øvrigt, geodynamiske simuleringer har vist, at spin-crossoveren styrker konvektion i jordens kappe og tektoniske pladebevægelse. Så vi tror, ​​at dette kvantefænomen også øger hyppigheden af ​​tektoniske begivenheder såsom jordskælv og vulkanudbrud, " noterer Wentzcovitch.

Der er stadig mange områder af kappen, som forskere ikke forstår, og ændring af spintilstand er afgørende for at forstå hastigheder, fasestabilitet, osv. Wentzcovitch fortsætter med at fortolke seismiske tomografiske kort ved hjælp af seismiske hastigheder forudsagt af ab initio beregninger baseret på tæthedsfunktionsteori. Hun udvikler og anvender også mere nøjagtige materialesimuleringsteknikker til at forudsige seismiske hastigheder og transportegenskaber, især i områder, der er rige på jern, smeltet, eller ved temperaturer tæt på smeltning.

"Det, der er særligt spændende er, at vores materialesimuleringsmetoder kan anvendes på stærkt korrelerede materialer - multiferroiske, ferroelektrik, og materialer ved høje temperaturer generelt, Wentzcovitch siger. "Vi vil være i stand til at forbedre vores analyser af 3D tomografiske billeder af Jorden og lære mere om, hvordan de knusende tryk i Jordens indre indirekte påvirker vores liv ovenover, på jordens overflade."