Nature Communications -paperin liitteenä oleva kuva "Rautaspin crossoverin seismologinen ilmentyminen ferroperiklaasissa Maan alemmassa vaipassa". Luotto: Nicoletta Barolini / Columbia Engineering
Monitieteinen materiaalifyysikkojen ja geofyysikkojen ryhmä yhdistää teoreettisia ennusteita, simulaatioita ja seismisen tomografian löytääkseen pyörimissiirtymän Maan vaipassa.
Maan sisätila on mysteeri, varsinkin suuremmissa syvyyksissä (> 660 km). Tutkijoilla on vain seismiset tomografiset kuvat tästä alueesta, ja niiden tulkitsemiseksi heidän on laskettava seismiset (akustiset) nopeudet mineraaleissa korkeissa paineissa ja lämpötiloissa. Näiden laskelmien avulla he voivat luoda 3D-nopeuskarttoja ja selvittää havainnoitujen alueiden mineralogian ja lämpötilan. Kun mineraalissa tapahtuu faasimuutos, kuten kiderakenteen muutos paineen alaisena, tutkijat havaitsevat nopeuden muutoksen, yleensä jyrkän seismisen nopeuden epäjatkuvuuden.
Vuonna 2003 tutkijat havaitsivat laboratoriossa uudentyyppisen faasimuutoksen mineraaleissa – raudan pyörimismuutoksen ferroperiklaasissa, joka on Maan alemman vaipan toiseksi yleisin komponentti. Spinin muutos tai spin crossover voi tapahtua mineraaleissa, kuten ferroperiklaasissa, ulkoisen ärsykkeen, kuten paineen tai lämpötilan, vaikutuksesta. Muutaman seuraavan vuoden aikana kokeelliset ja teoreettiset ryhmät vahvistivat tämän faasimuutoksen sekä ferroperiklaasissa että bridgmaniitissa, joka on alemman vaipan runsain vaihe. Mutta kukaan ei ollut aivan varma miksi tai missä tämä tapahtui.
Kylmät, alistuvat valtameren levyt nähdään nopean nopeuden alueina (a) ja (b), ja lämmin nouseva vaippakivi nähdään hitaiden nopeuksien alueina (c). Levyt ja pillit tuottavat koherentin tomografisen signaalin S-aaltomalleissa, mutta signaali katoaa osittain P-aaltomalleissa. Luotto: Columbia Engineering
Vuonna 2006 Columbia Engineering -professori Renata Wentzcovitch julkaisi ensimmäisen ferroperiklaasista kertovan artikkelinsa, joka tarjoaa teorian spincrossoverista tässä mineraalissa. Hänen teoriansa ehdotti, että se tapahtui tuhat kilometriä alemmassa vaipassa. Siitä lähtien Wentzcovitch, joka on sovelletun fysiikan ja soveltavan matematiikan laitoksen, maa- ja ympäristötieteiden professori sekä Lamont-Doherty Earth Observatory Columbia University, on julkaissut 13 artikkelia ryhmänsä kanssa tästä aiheesta, tutkien nopeuksia kaikissa mahdollisissa spincrossoverin tilanteissa ferroperiklaasissa ja bridgmaniitissa ja ennustanut näiden mineraalien ominaisuuksia koko tämän crossoverin ajan. Vuonna 2014 Wenzcovitch, jonka tutkimus keskittyy materiaalien laskennallisiin kvanttimekaanisiin tutkimuksiin ääriolosuhteissa, erityisesti planetaarisissa materiaaleissa, ennusti, kuinka tämä spinmuutosilmiö voidaan havaita seismisessä tomografiassa, mutta seismologit eivät vieläkään nähneet sitä.
Työskentelen Columbia Engineeringin monialaisen tiimin kanssa Oslon yliopisto, Tokyo Institute of Technology ja Intel Co., Wenzcovitchin uusimmassa paperissa kerrotaan, kuinka he ovat nyt tunnistaneet ferroperiklaasin spin crossover -signaalin, kvanttifaasisiirtymän syvällä maan alemmassa vaipassa. Tämä saavutettiin tarkastelemalla maapallon vaipan tiettyjä alueita, joilla ferroperiklaasia odotetaan olevan runsaasti. Tutkimus julkaistiin 8 Luonto Viestintä.
"Tämä jännittävä löytö, joka vahvistaa aikaisemmat ennusteeni, havainnollistaa materiaalifyysikkojen ja geofyysikkojen yhteistyön tärkeyttä saadakseen lisätietoja siitä, mitä syvällä maan sisällä tapahtuu", sanoi Wentzcovitch.
Spin-siirtymää käytetään yleisesti materiaaleissa, kuten niissä, joita käytetään magneettiseen tallennukseen. Jos venytät tai puristat vain muutaman nanometrin paksuisia kerroksia magneettista materiaalia, voit muuttaa kerroksen magneettisia ominaisuuksia ja parantaa mediatallennusominaisuuksia. Wentzcovitchin uusi tutkimus osoittaa, että sama ilmiö tapahtuu tuhansien kilometrien päähän Maan sisäpuolella, ja tämä siirtyy nanomittakaavasta makromittakaavaan.
"Lisäksi geodynaamiset simulaatiot ovat osoittaneet, että spin crossover elvyttää konvektiota Maan vaipan ja tektonisen levyn liikkeissä. Joten uskomme, että tämä kvanttiilmiö lisää myös tektonisten tapahtumien, kuten maanjäristysten ja tulivuorenpurkausten, esiintymistiheyttä", Wentzcovitch huomauttaa.
Vielä on monia vaipan alueita, joita tutkijat eivät ymmärrä, ja spin-tilan muutos on kriittistä nopeuksien, vaihestabiilien jne. ymmärtämisessä. Wentzcovitch jatkaa seismisten tomografisten karttojen tulkitsemista käyttämällä maanjäristysten ennustamia seismisä nopeuksia. AB initio tiheysfunktionaaliseen teoriaan perustuvat laskelmat. Hän kehittää ja soveltaa myös tarkempia materiaalisimulaatiotekniikoita seismisten nopeuksien ja kuljetusominaisuuksien ennustamiseen, erityisesti alueilla, joissa on runsaasti rautaa, sulaa tai sulamisa lähellä olevissa lämpötiloissa.
"Erityisen jännittävää on se, että materiaalisimulaatiomenetelmiämme voidaan soveltaa voimakkaasti korreloituviin materiaaleihin - moniferroisiin, ferrosähköisiin materiaaleihin ja materiaaleihin yleensä korkeissa lämpötiloissa", Wentzcovitch sanoo. "Pystymme parantamaan analyysejämme maapallon 3D-tomografisista kuvista ja oppimaan lisää siitä, kuinka maan sisäpuolen murskauspaineet vaikuttavat epäsuorasti elämäämme maan päällä, maan pinnalla."
Viite: Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes ja Renata M. Wentzcovitch, ferroperiklaasin seismologinen ilmentymä maan alemmassa vaipassa. lokakuu 8, Luonto Viestintä.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z
