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Martes, febrero 7, 2023

Geofísica extrema: transición de fase cuántica detectada a escala global en las profundidades de la Tierra

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Ilustración para acompañar el artículo de Nature Communications, "Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlasa in the Earth's lower mantle". Crédito: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering

Un equipo multidisciplinario de físicos de materiales y geofísicos combina predicciones teóricas, simulaciones y tomografía sísmica para encontrar la transición de espín en el manto terrestre.

El interior de la Tierra es un misterio, especialmente a mayores profundidades (>660 km). Los investigadores solo tienen imágenes tomográficas sísmicas de esta región y, para interpretarlas, necesitan calcular velocidades sísmicas (acústicas) en minerales a altas presiones y temperaturas. Con esos cálculos, pueden crear mapas de velocidad en 3D y determinar la mineralogía y la temperatura de las regiones observadas. Cuando ocurre una transición de fase en un mineral, como un cambio en la estructura cristalina bajo presión, los científicos observan un cambio de velocidad, generalmente una discontinuidad de velocidad sísmica aguda.

En 2003, los científicos observaron en un laboratorio un nuevo tipo de cambio de fase en los minerales: un cambio de espín en el hierro en la ferropericlasa, el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Un cambio de espín, o cruce de espín, puede ocurrir en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo, como la presión o la temperatura. Durante los años siguientes, grupos experimentales y teóricos confirmaron este cambio de fase tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, la fase más abundante del manto inferior. Pero nadie estaba muy seguro de por qué o dónde estaba sucediendo esto.

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Las placas oceánicas frías en subducción se ven como regiones de alta velocidad en (a) y (b), y el manto rocoso ascendente cálido se ve como regiones de baja velocidad en (c). Las placas y los penachos producen una señal tomográfica coherente en los modelos de ondas S, pero la señal desaparece parcialmente en los modelos de ondas P. Crédito: Ingeniería de Columbia

En 2006, la profesora de ingeniería de Columbia, Renata Wentzcovitch, publicó su primer artículo sobre la ferropericlasa, proporcionando una teoría para el cruce de espín en este mineral. Su teoría sugería que sucedió a lo largo de mil kilómetros en el manto inferior. Desde entonces, Wentzcovitch, quien es profesor en el departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas, ciencias ambientales y de la tierra, y el Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty en Columbia Uiversity, ha publicado 13 artículos con su grupo sobre este tema, investigando las velocidades en todas las situaciones posibles del cruce de espín en ferropericlasa y bridgmanita, y prediciendo las propiedades de estos minerales a lo largo de este cruce. En 2014, Wenzcovitch, cuya investigación se centra en estudios de mecánica cuántica computacional de materiales en condiciones extremas, en particular materiales planetarios, predijo cómo este fenómeno de cambio de espín podría detectarse en imágenes tomográficas sísmicas, pero los sismólogos aún no pudieron verlo.

Trabajando con un equipo multidisciplinario de Columbia Engineering, el Universidad de Oslo, el Instituto de Tecnología de Tokio e Intel Co., el último artículo de Wenzkovitch detalla cómo ahora han identificado la señal de cruce de espín de ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra. Esto se logró al observar regiones específicas en el manto de la Tierra donde se espera que la ferropericlasa sea abundante. El estudio fue publicado el 8 de octubre de 2021, en Naturaleza de Comunicaciones.

“Este emocionante hallazgo, que confirma mis predicciones anteriores, ilustra la importancia de que los físicos de materiales y los geofísicos trabajen juntos para aprender más sobre lo que sucede en las profundidades de la Tierra”, dijo Wentzcovitch.

La transición de giro se usa comúnmente en materiales como los que se usan para la grabación magnética. Si estira o comprime solo unas capas de un material magnético de unos pocos nanómetros de espesor, puede cambiar las propiedades magnéticas de la capa y mejorar las propiedades de grabación del medio. El nuevo estudio de Wentzcovitch muestra que el mismo fenómeno ocurre a lo largo de miles de kilómetros en el interior de la Tierra, llevándolo de la escala nano a la macro.

“Además, las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín vigoriza la convección en el manto de la Tierra y el movimiento de las placas tectónicas. Entonces pensamos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de eventos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas”, señala Wentzcovitch.

Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden y el cambio de estado de espín es fundamental para comprender las velocidades, las estabilidades de fase, etc. ab initio cálculos basados ​​en la teoría funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir las velocidades sísmicas y las propiedades de transporte, particularmente en regiones ricas en hierro, fundido oa temperaturas cercanas al punto de fusión.

“Lo que es especialmente emocionante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales fuertemente correlacionados: multiferroicos, ferroeléctricos y materiales a altas temperaturas en general”, dice Wentzcovitch. "Podremos mejorar nuestros análisis de imágenes tomográficas en 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las presiones aplastantes del interior de la Tierra están afectando indirectamente nuestras vidas arriba, en la superficie de la Tierra".

Referencia: "Expresión sismológica del cruce de espín de hierro en ferropericlasa en el manto inferior de la Tierra" por Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes y Renata M. Wentzcovitch, 8 octubre 2021, Naturaleza de Comunicaciones.
DOI: 10.1038 / s41467-021, 26115-z

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