Transizione di fase quantistica rilevata su scala globale nelle profondità della Terra

Un team interdisciplinare di fisici dei materiali e geofisici combina previsioni teoriche, simulazioni e tomografia sismica per trovare la trasmissione di spin nel mantello terrestre.

L’interno della Terra è un mistero, soprattutto alle maggiori profondità (>660 km). I ricercatori hanno solo immagini sismiche in sezione trasversale di questa regione e, per interpretarle, devono calcolare le velocità sismiche (acustiche) nei minerali ad alte pressioni e temperature. Con questi calcoli, possono creare mappe di velocità 3D e apprendere i minerali e la temperatura delle aree osservate. Quando si verifica una transizione di fase in un minerale, come un cambiamento della struttura cristallina sotto stress, gli scienziati osservano un cambiamento di velocità, di solito una brusca interruzione della velocità sismica.

Nel 2003, gli scienziati in un laboratorio hanno osservato un nuovo tipo di cambiamento di fase nei minerali: un cambiamento di rotazione del ferro nel ferropericlasio, il secondo componente più abbondante del mantello inferiore della Terra. Un cambiamento di spin, o giunzione di spin, può verificarsi in minerali come il ferropericlasio sotto un catalizzatore esterno, come la pressione o la temperatura. Negli anni successivi, gruppi sperimentali e teorici hanno confermato questo cambiamento di fase sia nel ferropericlasio che nella bridgmanite, la fase più abbondante del mantello inferiore. Ma nessuno sapeva bene perché o dove fosse successo.

Le placche oceaniche fredde e inferiori sono viste come regioni ad alta velocità in (a) e (b), e le rocce calde del mantello sono viste come regioni a bassa velocità in (c). Le piastre e le colonne producono un segnale tomografico coerente nei modelli a onde S, ma il segnale scompare parzialmente nei modelli a onde P. Credito: Columbia Engineering

Nel 2006, la professoressa di ingegneria della Columbia University Renata Wenitzkowicz ha pubblicato il suo primo articolo sul ferropericlasio, fornendo una teoria dell’intersezione di spin in questo minerale. La sua teoria suggeriva che ciò sarebbe accaduto attraverso un migliaio di chilometri nel mantello inferiore. Da allora, Wentzkowitz, professore di fisica applicata e Dipartimento di Matematica Applicata, Scienze della Terra e dell’Ambiente, e Lamont-Doherty Earth Observatory presso Università della Columbia, ha pubblicato 13 articoli di ricerca con il suo gruppo sull’argomento, studiando le velocità in ogni possibile caso della giunzione di spin in ferropericlasio e bridgmanite e prevedendo le proprietà di questi minerali durante questa giunzione. Nel 2014, Wenzcovitch, la cui ricerca si concentra sugli studi di meccanica quantistica di materiali in condizioni estreme, in particolare materiali planetari, ha previsto come questo fenomeno di cambiamento di spin potrebbe essere rilevato nei tomogrammi sismici, ma i sismologi non sono ancora riusciti a vederlo.

Lavorando con un team multidisciplinare della Columbia Engineering, Università di OsloLtd., Tokyo Institute of Technology e Intel Corporation, l’ultimo documento di ricerca di Wenzcovitch che mostra come hanno ora identificato il segnale di giunzione ferrociclica, una transizione quantistica in profondità nel mantello inferiore della Terra. Ciò è stato ottenuto esaminando regioni specifiche del mantello terrestre in cui si prevede che il ferropericlasio sia abbondante. Lo studio è stato pubblicato l’8 ottobre 2021, in Connessioni con la natura.

“Questa entusiasmante scoperta, che conferma le mie precedenti previsioni, dimostra l’importanza che i fisici dei materiali e i geofisici lavorino insieme per saperne di più su ciò che sta accadendo nelle profondità della Terra”, ha detto Wentzkowitz.

La transizione rotazionale è comunemente usata in materiali come quelli usati nella registrazione magnetica. Se allunghi o comprimi alcuni strati spessi nanometri di un materiale magnetico, puoi modificare le proprietà magnetiche dello strato e migliorare le proprietà del supporto di registrazione. Il nuovo studio di Wentzcovitch mostra che lo stesso fenomeno si verifica per migliaia di chilometri all’interno della Terra, mentre si sposta dalla nanoscala alla macroscala.

Inoltre, le simulazioni geodinamiche hanno mostrato che la giunzione di spin attiva la convezione nel mantello terrestre e il movimento delle placche tettoniche. Quindi pensiamo che questo fenomeno quantistico aumenti anche la frequenza di eventi tettonici come terremoti ed eruzioni vulcaniche”, osserva Wentzkowitz.

Ci sono ancora molte regioni del mantello che i ricercatori non capiscono e cambiare lo stato di spin è fondamentale per comprendere le velocità, la stabilità di fase, ecc. Wentzkowitz continua a interpretare le mappe di tomografia sismica utilizzando le velocità sismiche previste Dall’inizio Calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità. Sviluppa e applica anche tecniche di simulazione dei materiali più accurate per prevedere le velocità sismiche e le proprietà di trasporto, in particolare nelle regioni ricche di ferro, fuso oa temperature prossime allo scioglimento.

“Ciò che è particolarmente interessante è che i nostri metodi di simulazione dei materiali sono applicabili a materiali fortemente interconnessi: materiali ferroelettrici e materiali ad alta temperatura in generale”, afferma Wentzkowicz. “Saremo in grado di migliorare le nostre analisi dei tomogrammi 3D della Terra e saperne di più su come le pressioni schiaccianti dell’interno della Terra influenzano indirettamente le nostre vite al di sopra della Terra”.

Riferimento: “Espressione sismica della giunzione di rotazione del ferropericlasio nel mantello inferiore della Terra” di Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons e Renata M. Wenitzkowicz, 8 ottobre 2021 , Connessioni con la natura.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z