Kwantumfaseovergang gedetecteerd op wereldwijde schaal diep in de aarde

Een interdisciplinair team van materiaalfysici en geofysici combineert theoretische voorspellingen, simulaties en seismische tomografie om spintransmissie in de aardmantel te vinden.

Het binnenste van de aarde is een mysterie, vooral op de grootste diepten (>660 km). De onderzoekers hebben alleen seismische tomogrammen van deze regio en om die te interpreteren moeten ze seismische (akoestische) snelheden in mineralen bij hoge drukken en temperaturen berekenen. Met deze berekeningen kunnen ze 3D-snelheidskaarten maken en de mineralen en temperatuur van de waargenomen gebieden leren. Wanneer een faseovergang optreedt in een mineraal, zoals een kristalstructuurverandering onder druk, observeren wetenschappers een verandering in snelheid, meestal een scherpe breuk in seismische snelheid.

In 2003 observeerden wetenschappers in een laboratorium een ​​nieuw type faseverandering in mineralen – een spinverandering in ijzer in ferropericlase, het op een na meest voorkomende onderdeel van de onderste mantel van de aarde. Een verandering in spin, of spinovergang, kan optreden in mineralen zoals ferroperiklaas onder een externe katalysator, zoals druk of temperatuur. In de loop van de volgende jaren bevestigden experimentele en theoretische groepen deze faseverandering in zowel ferropericlase als bridgmanite, de meest voorkomende fase van de onderste mantel. Maar niemand wist precies waarom of waar dit gebeurde.

Koude en lagere oceanische platen worden gezien als gebieden met hoge snelheid in (a) en (b), en warme opwellende mantelgesteenten worden gezien als gebieden met lage snelheid in (c). De platen en kolommen produceren een coherent tomografisch signaal in S-golfmodellen, maar het signaal verdwijnt gedeeltelijk in P-golfmodellen.Credit: Columbia Engineering

In 2006 publiceerde Renata Wenitzkowicz, hoogleraar engineering aan de Columbia University, haar eerste paper over ferropericlase, met een spin-intersectietheorie in dit mineraal. Haar theorie suggereerde dat dit zou gebeuren over duizend kilometer in de lagere mantel. Sindsdien heeft Wentzkowitz, hoogleraar toegepaste natuurkunde en de afdeling Toegepaste Wiskunde, Aard- en Milieuwetenschappen, en Lamont-Doherty Earth Observatory bij Universiteit van Columbia, publiceerde 13 onderzoekspapers met haar groep over dit onderwerp, waarbij ze de snelheden in elk mogelijk geval van de spinovergang in ferroperiklaas en bridgmaniet onderzocht en de eigenschappen van deze mineralen tijdens deze overgang voorspelde. In 2014 voorspelde Wenzcovitch, wiens onderzoek zich richt op kwantummechanische studies van materialen in extreme omstandigheden, met name planetaire materialen, hoe dit spin-veranderende fenomeen zou kunnen worden gedetecteerd in seismische tomogrammen, maar seismologen konden het nog steeds niet zien.

Werken met een multidisciplinair team van Columbia Engineering, Universiteit van OsloLtd., Tokyo Institute of Technology en Intel Corporation, Wenzcovitch’s nieuwste onderzoekspaper die laat zien hoe ze nu het ferrocyclische junctiesignaal hebben geïdentificeerd, een kwantumovergang diep in de onderste mantel van de aarde. Dit werd bereikt door te kijken naar specifieke regio’s in de aardmantel waar ferroperiklaas naar verwachting overvloedig zal zijn. De studie werd gepubliceerd op 8 oktober 2021 in Verbindingen met de natuur.

“Deze opwindende ontdekking, die mijn eerdere voorspellingen bevestigt, toont het belang aan van materiaalfysici en geofysici die samenwerken om meer te weten te komen over wat er diep in de aarde gebeurt,” zei Wentzkowitz.

Rotatieovergang wordt vaak gebruikt in materialen zoals die worden gebruikt bij magnetische opnames. Als je een paar nanometer dikke lagen van een magnetisch materiaal uitrekt of comprimeert, kun je de magnetische eigenschappen van de laag veranderen en de eigenschappen van het opnamemedium verbeteren. De nieuwe studie van Wentzcovitch laat zien dat hetzelfde fenomeen zich over duizenden kilometers in het binnenste van de aarde voordoet, terwijl het zich van de nanoschaal naar de macroschaal verplaatst.

Bovendien toonden geodynamische simulaties aan dat de spinovergang convectie in de aardmantel en de beweging van tektonische platen activeert. Dus we denken dat dit kwantumfenomeen ook de frequentie van tektonische gebeurtenissen zoals aardbevingen en vulkaanuitbarstingen verhoogt”, merkt Wentzkowitz op.

Er zijn nog steeds veel regio’s van de mantel die onderzoekers niet begrijpen, en het veranderen van de spintoestand is van cruciaal belang voor het begrijpen van snelheden, fasestabiliteit, enz. Wentzkowitz blijft seismische tomografiekaarten interpreteren met behulp van voorspelde seismische snelheden Vanaf het begin Berekeningen op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie. Het ontwikkelt en past ook nauwkeuriger materiaalsimulatietechnieken toe om seismische snelheden en transporteigenschappen te voorspellen, met name in gebieden die rijk zijn aan ijzer, gesmolten of bijna smeltende temperaturen.

“Wat bijzonder opwindend is, is dat onze materiaalsimulatiemethoden toepasbaar zijn op sterk onderling verbonden materialen – ferro-elektriciteit en materialen op hoge temperatuur in het algemeen”, zegt Wentzkowicz. “We zullen onze analyses van 3D-tomogrammen van de aarde kunnen verbeteren en meer leren over hoe de verpletterende druk van het binnenste van de aarde indirect ons leven boven de aarde beïnvloedt.”

Referentie: “Seismische expressie van ferropericlase spinjunctie in de onderste mantel van de aarde” door Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons en Renata M. Wenitzkowicz, 8 oktober 2021 , Verbindingen met de natuur.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z