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Montag, November 28, 2022

Extreme Geophysik: Quantenphasenübergang auf globaler Ebene tief im Erdinneren entdeckt

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Seismological Expression Iron Spin Crossover Ferropericlase Earths Lower Mantle 777x601 1 - Extreme Geophysik: Quantenphasenübergang auf globaler Ebene tief im Inneren der Erde nachgewiesen

Illustration zur Begleitpublikation von Nature Communications, „Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the earth’s lower mantle“. Bildnachweis: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering

Ein multidisziplinäres Team aus Materialphysikern und Geophysikern kombiniert theoretische Vorhersagen, Simulationen und seismische Tomographie, um den Spinübergang im Erdmantel zu finden.

Das Innere der Erde ist ein Rätsel, besonders in größeren Tiefen (> 660 km). Die Forscher haben nur seismische Tomographiebilder dieser Region und um sie zu interpretieren, müssen sie seismische (akustische) Geschwindigkeiten in Mineralien bei hohen Drücken und Temperaturen berechnen. Mit diesen Berechnungen können sie 3D-Geschwindigkeitskarten erstellen und die Mineralogie und Temperatur der beobachteten Regionen ermitteln. Wenn in einem Mineral ein Phasenübergang auftritt, beispielsweise eine Änderung der Kristallstruktur unter Druck, beobachten Wissenschaftler eine Geschwindigkeitsänderung, normalerweise eine scharfe seismische Geschwindigkeitsdiskontinuität.

Im Jahr 2003 beobachteten Wissenschaftler in einem Labor eine neuartige Phasenänderung in Mineralien – eine Spinänderung in Eisen in Ferroperiklas, dem zweithäufigsten Bestandteil des unteren Erdmantels. Eine Spinänderung oder Spinüberkreuzung kann in Mineralien wie Ferroperiklas unter einem externen Stimulus wie Druck oder Temperatur auftreten. In den nächsten Jahren bestätigten experimentelle und theoretische Gruppen diese Phasenänderung sowohl in Ferroperiklas als auch in Bridgmanit, der am häufigsten vorkommenden Phase des unteren Mantels. Aber niemand war sich ganz sicher, warum oder wo dies geschah.

Spin Crossover Signature 777x567 1 - Extreme Geophysik: Quantenphasenübergang auf globaler Ebene tief im Inneren der Erde entdeckt

Kalte, abtauchende ozeanische Platten sind in (a) und (b) als Regionen mit hoher Geschwindigkeit zu sehen, und warm aufsteigendes Mantelgestein ist in (c) als Regionen mit langsamer Geschwindigkeit zu sehen. Platten und Federn erzeugen ein kohärentes tomographisches Signal in S-Wellen-Modellen, aber das Signal verschwindet teilweise in P-Wellen-Modellen. Kredit: Columbia Engineering

Im Jahr 2006 veröffentlichte die Ingenieurprofessorin Renata Wentzcovitch von Columbia ihre erste Arbeit über Ferroperiklas, in der sie eine Theorie für den Spin-Crossover in diesem Mineral lieferte. Ihrer Theorie zufolge passierte es über tausend Kilometer im unteren Mantel. Seitdem ist Wentzcovitch, der Professor im Fachbereich Angewandte Physik und Angewandte Mathematik ist, Erd- und Umweltwissenschaften sowie am Lamont-Doherty Earth Observatory tätig Columbia University, hat mit ihrer Gruppe 13 Arbeiten zu diesem Thema veröffentlicht, in denen sie die Geschwindigkeiten in jeder möglichen Situation des Spin-Crossovers in Ferropericlas und Bridgmanit untersucht und die Eigenschaften dieser Mineralien während dieses Crossovers vorhersagt. Im Jahr 2014 sagte Wenzcovitch, dessen Forschung sich auf computergestützte quantenmechanische Studien von Materialien unter extremen Bedingungen konzentriert, insbesondere von Planetenmaterialien, voraus, wie dieses Spinänderungsphänomen in seismischen Tomographiebildern nachgewiesen werden könnte, aber Seismologen konnten es immer noch nicht sehen.

In Zusammenarbeit mit einem multidisziplinären Team von Columbia Engineering, dem University of Oslo, dem Tokyo Institute of Technology, und Intel Co., Wenzcovitchs neueste Veröffentlichung beschreibt, wie sie nun das Ferroperiklas-Spin-Crossover-Signal identifiziert haben, einen Quantenphasenübergang tief im unteren Erdmantel. Dies wurde erreicht, indem bestimmte Regionen im Erdmantel untersucht wurden, in denen Ferroperiklas reichlich vorhanden sein dürften. Die Studie wurde am 8. Oktober 2021 in veröffentlicht Nature Communications.

„Dieses aufregende Ergebnis, das meine früheren Vorhersagen bestätigt, zeigt, wie wichtig es ist, dass Materialphysiker und Geophysiker zusammenarbeiten, um mehr darüber zu erfahren, was tief im Inneren der Erde vor sich geht“, sagte Wentzcovitch.

Der Spinübergang wird üblicherweise in Materialien verwendet, wie sie für magnetische Aufzeichnungen verwendet werden. Wenn Sie nur wenige Nanometer dicke Schichten eines magnetischen Materials dehnen oder stauchen, können Sie die magnetischen Eigenschaften der Schicht verändern und die Aufzeichnungseigenschaften des Mediums verbessern. Wentzcovitchs neue Studie zeigt, dass das gleiche Phänomen über Tausende von Kilometern im Erdinneren passiert, und zwar von der Nano- bis zur Makroskala.

„Darüber hinaus haben geodynamische Simulationen gezeigt, dass der Spin-Crossover die Konvektion im Erdmantel und die tektonischen Plattenbewegungen belebt. Wir glauben also, dass dieses Quantenphänomen auch die Häufigkeit von tektonischen Ereignissen wie Erdbeben und Vulkanausbrüchen erhöht“, bemerkt Wentzcovitch.

Es gibt immer noch viele Regionen des Mantels, die Forscher nicht verstehen, und die Änderung des Spinzustands ist entscheidend für das Verständnis von Geschwindigkeiten, Phasenstabilitäten usw. Wentzcovitch interpretiert weiterhin seismische tomografische Karten unter Verwendung von vorhergesagten seismischen Geschwindigkeiten ab initio Berechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie. Sie entwickelt und wendet auch genauere Materialsimulationstechniken an, um seismische Geschwindigkeiten und Transporteigenschaften vorherzusagen, insbesondere in eisenreichen, geschmolzenen oder schmelznahen Regionen.

„Besonders aufregend ist, dass unsere Materialsimulationsmethoden auf stark korrelierte Materialien anwendbar sind – multiferroische, ferroelektrische und Materialien bei hohen Temperaturen im Allgemeinen“, sagt Wentzcovitch. „Wir können unsere Analysen von tomografischen 3D-Bildern der Erde verbessern und mehr darüber erfahren, wie die erdrückenden Drücke des Erdinneren indirekt unser Leben auf der Erdoberfläche beeinflussen.“

Referenz: „Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlas in the Earth's Lower mantel“ von Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes und Renata M. Wentzcovitch, 8 Oktober 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z

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