Illustration pour accompagner l'article de Nature Communications, « Expression sismologique du croisement de spins de fer dans la ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre ». Crédit : Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
Une équipe multidisciplinaire de physiciens des matériaux et de géophysiciens combine des prédictions théoriques, des simulations et une tomographie sismique pour trouver la transition de spin dans le manteau terrestre.
L'intérieur de la Terre est un mystère, surtout à de plus grandes profondeurs (> 660 km). Les chercheurs ne disposent que d'images tomographiques sismiques de cette région et, pour les interpréter, ils doivent calculer les vitesses sismiques (acoustiques) dans les minéraux à des pressions et des températures élevées. Avec ces calculs, ils peuvent créer des cartes de vitesse 3D et déterminer la minéralogie et la température des régions observées. Lorsqu'une transition de phase se produit dans un minéral, telle qu'un changement de structure cristalline sous pression, les scientifiques observent un changement de vitesse, généralement une forte discontinuité de la vitesse sismique.
En 2003, des scientifiques ont observé en laboratoire un nouveau type de changement de phase dans les minéraux - un changement de spin du fer dans la ferropériclase, le deuxième composant le plus abondant du manteau inférieur de la Terre. Un changement de spin, ou croisement de spin, peut se produire dans des minéraux comme la ferropériclase sous un stimulus externe, comme la pression ou la température. Au cours des années suivantes, des groupes expérimentaux et théoriques ont confirmé ce changement de phase à la fois dans la ferropériclase et la bridgmanite, la phase la plus abondante du manteau inférieur. Mais personne ne savait vraiment pourquoi ni où cela se produisait.
Les plaques océaniques froides et subductrices sont vues comme des régions à vitesse rapide dans (a) et (b), et la roche montante chaude du manteau est vue comme des régions à vitesse lente dans (c). Les plaques et les panaches produisent un signal tomographique cohérent dans les modèles à ondes S, mais le signal disparaît partiellement dans les modèles à ondes P. Crédit : Columbia Engineering
En 2006, la professeure d'ingénierie de Columbia Renata Wentzcovitch a publié son premier article sur la ferropériclase, fournissant une théorie pour le croisement de spin dans ce minéral. Sa théorie suggérait que cela s'était produit sur un millier de kilomètres dans le manteau inférieur. Depuis lors, Wentzcovitch, qui est professeur au département de physique appliquée et mathématiques appliquées, sciences de la terre et de l'environnement, et à l'observatoire de la Terre Lamont-Doherty à L'Université de Columbia, a publié 13 articles avec son groupe sur ce sujet, étudiant les vitesses dans toutes les situations possibles de croisement de spin dans la ferropériclase et la bridgmanite, et prédisant les propriétés de ces minéraux tout au long de ce croisement. En 2014, Wenzcovitch, dont les recherches portent sur les études de mécanique quantique computationnelle des matériaux dans des conditions extrêmes, en particulier les matériaux planétaires, a prédit comment ce phénomène de changement de spin pouvait être détecté dans les images tomographiques sismiques, mais les sismologues ne pouvaient toujours pas le voir.
Travaillant avec une équipe multidisciplinaire de Columbia Engineering, le Université d'Oslo, l'Institut de technologie de Tokyo et Intel Co., le dernier article de Wenzcovitch détaille comment ils ont maintenant identifié le signal de croisement de spin de la ferropériclase, une transition de phase quantique au plus profond du manteau inférieur de la Terre. Cela a été réalisé en examinant des régions spécifiques du manteau terrestre où la ferropériclase devrait être abondante. L'étude a été publiée le 8 octobre 2021 dans Communications Nature.
"Cette découverte passionnante, qui confirme mes prédictions antérieures, illustre l'importance pour les physiciens des matériaux et les géophysiciens de travailler ensemble pour en savoir plus sur ce qui se passe au plus profond de la Terre", a déclaré Wentzcovitch.
La transition de spin est couramment utilisée dans des matériaux tels que ceux utilisés pour l'enregistrement magnétique. Si vous étirez ou compressez seulement quelques couches d'un nanomètre d'épaisseur d'un matériau magnétique, vous pouvez modifier les propriétés magnétiques de la couche et améliorer les propriétés d'enregistrement du support. La nouvelle étude de Wentzcovitch montre que le même phénomène se produit sur des milliers de kilomètres à l'intérieur de la Terre, allant de l'échelle nanométrique à l'échelle macro.
« De plus, des simulations géodynamiques ont montré que le croisement de spin stimule la convection dans le manteau terrestre et le mouvement des plaques tectoniques. Nous pensons donc que ce phénomène quantique augmente également la fréquence des événements tectoniques tels que les tremblements de terre et les éruptions volcaniques », note Wentzcovitch.
Il existe encore de nombreuses régions du manteau que les chercheurs ne comprennent pas et le changement d'état de spin est essentiel pour comprendre les vitesses, les stabilités de phase, etc. Wentzcovitch continue d'interpréter les cartes tomographiques sismiques en utilisant les vitesses sismiques prédites par ab initio calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Elle développe et applique également des techniques de simulation de matériaux plus précises pour prédire les vitesses sismiques et les propriétés de transport, en particulier dans les régions riches en fer, en fusion ou à des températures proches de la fusion.
"Ce qui est particulièrement excitant, c'est que nos méthodes de simulation de matériaux sont applicables à des matériaux fortement corrélés - multiferroïques, ferroélectriques et matériaux à haute température en général", déclare Wentzcovitch. « Nous pourrons améliorer nos analyses d'images tomographiques 3D de la Terre et en savoir plus sur la façon dont les pressions écrasantes de l'intérieur de la Terre affectent indirectement nos vies au-dessus, à la surface de la Terre. »
Référence : « Expression sismologique du croisement du spin du fer dans la ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre » par Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes et Renata M. Wentzcovitch, 8 octobre 2021, Communications Nature.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z
