Ilustracija koja prati dokument Nature Communications, “Seizmološki izraz križanja željeznog spina u feroperiklazu u donjem plaštu Zemlje.” Zasluge: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
Multidisciplinarni tim fizičara materijala i geofizičara kombinira teorijska predviđanja, simulacije i seizmičku tomografiju kako bi pronašao prijelaz spina u Zemljinom plaštu.
Unutrašnjost Zemlje je misterij, osobito na većim dubinama (> 660 km). Istraživači imaju samo seizmičke tomografske slike ovog područja i za njihovu interpretaciju trebaju izračunati seizmičke (akustičke) brzine u mineralima pri visokim tlakovima i temperaturama. S tim izračunima mogu stvoriti 3D karte brzina i shvatiti mineralogiju i temperaturu promatranih regija. Kada se u mineralu dogodi fazni prijelaz, kao što je promjena kristalne strukture pod pritiskom, znanstvenici promatraju promjenu brzine, obično oštar seizmički diskontinuitet brzine.
Godine 2003. znanstvenici su u laboratoriju promatrali novu vrstu fazne promjene u mineralima - spinsku promjenu željeza u feroperiklazu, drugoj najzastupljenijoj komponenti donjeg plašta Zemlje. Promjena spina, ili spin crossover, može se dogoditi u mineralima poput feroperiklaza pod vanjskim podražajem, poput tlaka ili temperature. Tijekom sljedećih nekoliko godina, eksperimentalne i teorijske skupine potvrdile su ovu faznu promjenu u feroperiklazu i bridžmanitu, najzastupljenijoj fazi donjeg plašta. Ali nitko nije bio sasvim siguran zašto ili gdje se to događa.
Hladne, subdukcijske oceanske ploče vide se kao područja velike brzine u (a) i (b), a topla stijena plašta koja se diže kao područja spore brzine u (c). Ploče i perjanice proizvode koherentni tomografski signal u modelima S-vala, ali signal djelomično nestaje u modelima s P-valom. Zasluge: Columbia Engineering
Godine 2006., profesorica inženjerstva Columbia Renata Wentzcovitch objavila je svoj prvi rad o feroperiklazu, pružajući teoriju za spin crossover u ovom mineralu. Njezina teorija je sugerirala da se to dogodilo preko tisuću kilometara u donjem plaštu. Od tada, Wentzcovitch, koji je profesor na odjelu primijenjene fizike i primijenjene matematike, znanosti o zemlji i okolišu, te Lamont-Doherty Earth Observatory na Sveučilište Columbia, objavila je 13 radova sa svojom grupom na ovu temu, istražujući brzine u svakoj mogućoj situaciji spin crossovera u feroperiklazu i bridgmanitu, te predviđajući svojstva ovih minerala kroz ovaj crossover. Godine 2014. Wenzcovitch, čije se istraživanje usredotočuje na računalne kvantnomehaničke studije materijala u ekstremnim uvjetima, posebno planetarnih materijala, predvidio je kako se ovaj fenomen promjene spina može detektirati u seizmičkim tomografskim slikama, ali seizmolozi ga još uvijek nisu mogli vidjeti.
Rad s multidisciplinarnim timom iz Columbia Engineering, Sveučilište u Oslu, Tokyo Institute of Technology i Intel Co., Wenzcovitchev najnoviji rad opisuje kako su sada identificirali signal križanja spina feroperiklaza, kvantni fazni prijelaz duboko unutar donjeg plašta Zemlje. To je postignuto promatranjem specifičnih područja u Zemljinom plaštu gdje se očekuje da će feroperiklaza biti u izobilju. Studija je objavljena 8. listopada 2021. u Nature Communications.
“Ovo uzbudljivo otkriće, koje potvrđuje moja ranija predviđanja, ilustrira važnost zajedničkog rada fizičara materijala i geofizičara kako bi saznali više o tome što se događa duboko unutar Zemlje”, rekao je Wentzcovitch.
Spin prijelaz se obično koristi u materijalima poput onih koji se koriste za magnetsko snimanje. Ako rastegnete ili stisnete samo nekoliko nanometarskih slojeva magnetskog materijala, možete promijeniti magnetska svojstva sloja i poboljšati svojstva snimanja medija. Wentzcovitcheva nova studija pokazuje da se isti fenomen događa tisućama kilometara u Zemljinoj unutrašnjosti, uzimajući to s nano- na makro skali.
“Štoviše, geodinamičke simulacije pokazale su da spin crossover pojačava konvekciju u Zemljinom plaštu i gibanju tektonske ploče. Stoga mislimo da ovaj kvantni fenomen također povećava učestalost tektonskih događaja kao što su potresi i vulkanske erupcije”, napominje Wentzcovitch.
Još uvijek postoje mnoge regije plašta koje istraživači ne razumiju, a promjena stanja spina ključna je za razumijevanje brzina, fazne stabilnosti itd. Wentzcovitch nastavlja tumačiti seizmičke tomografske karte koristeći seizmičke brzine predviđene ab initio proračuni temeljeni na teoriji funkcionalne gustoće. Također razvija i primjenjuje točnije tehnike simulacije materijala za predviđanje seizmičkih brzina i transportnih svojstava, posebno u područjima bogatim željezom, rastaljenim ili na temperaturama blizu taljenja.
"Ono što je posebno uzbudljivo je to što su naše metode simulacije materijala primjenjive na materijale s jakom korelacijom - multiferoične, feroelektrike i općenito materijale na visokim temperaturama", kaže Wentzcovitch. “Moći ćemo poboljšati naše analize 3D tomografskih slika Zemlje i saznati više o tome kako razorni pritisci u unutrašnjosti Zemlje neizravno utječu na naše živote iznad, na površini Zemlje.”
Referenca: “Seizmološki izraz križanja željeznog spina u feroperiklazu u donjem plaštu Zemlje” Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes i Renata M. Wentzcovitch, 8 listopada 2021., Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z
