Illusztráció a Nature Communications közleményéhez: „A vas spin crossover szeizmológiai kifejeződése a ferroperiklalázban a Föld alsó köpenyében”. Köszönetnyilvánítás: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
Anyagfizikusokból és geofizikusokból álló multidiszciplináris csapat elméleti előrejelzéseket, szimulációkat és szeizmikus tomográfiát kombinál, hogy megtalálja a spin-átmenetet a Föld köpenyében.
A Föld belseje rejtély, különösen nagyobb mélységekben (> 660 km). A kutatóknak csak szeizmikus tomográfiai képeik vannak erről a régióról, és ezek értelmezéséhez ki kell számítaniuk az ásványok szeizmikus (akusztikus) sebességét magas nyomáson és hőmérsékleten. Ezekkel a számításokkal 3D sebességtérképeket készíthetnek, és kitalálhatják a megfigyelt régiók ásványtani és hőmérsékleti jellemzőit. Amikor egy ásványban fázisátalakulás következik be, például nyomás hatására megváltozik a kristályszerkezet, a tudósok sebességváltozást észlelnek, általában éles szeizmikus sebesség-megszakadást.
2003-ban a tudósok egy laboratóriumban egy új típusú fázisváltozást figyeltek meg az ásványokban – a vas spin-változását a ferroperiklalázban, amely a Föld alsó köpenyének második legelterjedtebb komponense. A centrifugálási változás vagy a spin crossover olyan ásványokban, mint a ferroperiklaz, külső inger, például nyomás vagy hőmérséklet hatására történhet. A következő néhány évben kísérleti és elméleti csoportok megerősítették ezt a fázisváltozást mind a ferroperiklaszban, mind a bridgmanitban, az alsó köpeny legelterjedtebb fázisában. De senki sem volt biztos abban, hogy ez miért és hol történik.
A hideg, alámerülő óceáni lemezeket gyors sebességű régióknak tekintik az (a) és (b) pontban, a melegen emelkedő köpenykőzetet pedig lassú sebességű régióknak (c). A lemezek és csóvák koherens tomográfiás jelet állítanak elő az S-hullámú modellekben, de a jel részben eltűnik a P-hullámú modellekben. Kredit: Columbia Engineering
2006-ban a Columbia mérnök professzora, Renata Wentzcovitch publikálta első tanulmányát a ferroperiklazról, elméletet adva a spin crossoverről ebben az ásványban. Elmélete azt sugallta, hogy ez ezer kilométeres szakaszon történt az alsó köpenyben. Azóta Wentzcovitch, aki az alkalmazott fizika és alkalmazott matematika tanszék, a föld- és környezettudományok, valamint a Lamont-Doherty Föld Obszervatórium professzora. Columbia Egyetem, 13 közleményt publikált csoportjával ebben a témában, amelyekben a ferroperiklazban és a bridgmanitban előforduló spin-crossover minden lehetséges szituációjában vizsgálják a sebességeket, és előre jelezték ezen ásványok tulajdonságait a keresztezés során. 2014-ben Wenzcovitch, akinek kutatása az anyagok extrém körülmények között végzett számítási kvantummechanikai vizsgálatára összpontosít, különös tekintettel a bolygóanyagokra, megjósolta, hogy ez a spinváltozási jelenség hogyan mutatható ki a szeizmikus tomográfiai felvételeken, de a szeizmológusok még mindig nem tudták látni.
A Columbia Engineering multidiszciplináris csapatával együttműködve a University of Oslo, a Tokiói Technológiai Intézet és az Intel Co., Wenzcovitch legfrissebb közleménye részletezi, hogyan azonosították most a ferroperiklaz spin crossover jelet, amely egy kvantumfázis-átmenet mélyen a Föld köpenyében. Ezt úgy érték el, hogy megvizsgálták a Föld köpenyének azon régióit, ahol a ferroperiklaz várhatóan bőséges lesz. A tanulmány 8. október 2021-án jelent meg Nature Communications.
"Ez az izgalmas felfedezés, amely megerősíti korábbi jóslataimat, szemlélteti annak fontosságát, hogy az anyagfizikusok és a geofizikusok együtt dolgozzanak, hogy többet megtudjanak arról, mi történik a Föld mélyén" - mondta Wentzcovitch.
A spin-átmenetet általában olyan anyagokban használják, mint például a mágneses rögzítéshez. Ha egy mágneses anyagból csak néhány nanométer vastag réteget nyújt vagy tömörít, megváltoztathatja a réteg mágneses tulajdonságait, és javíthatja a közeg rögzítési tulajdonságait. Wentzcovitch új tanulmánya azt mutatja, hogy ugyanez a jelenség több ezer kilométeren át fordul elő a Föld belsejében, a nano-tól a makroskáláig.
„Sőt, a geodinamikai szimulációk kimutatták, hogy a spin crossover élénkíti a konvekciót a Föld köpenyében és a tektonikus lemezek mozgásában. Tehát úgy gondoljuk, hogy ez a kvantumjelenség növeli a tektonikus események, például a földrengések és a vulkánkitörések gyakoriságát is” – jegyzi meg Wentzcovitch.
A köpeny számos régióját még mindig nem értik a kutatók, és a spinállapot változása kritikus fontosságú a sebességek, fázisstabilitások stb. megértéséhez. Wentzcovitch továbbra is a szeizmikus tomográfiás térképek értelmezését végzi az általa előrejelzett szeizmikus sebességek segítségével. ab initio sűrűségfüggvény elméleten alapuló számítások. Emellett pontosabb anyagszimulációs technikákat fejleszt és alkalmaz a szeizmikus sebességek és a szállítási tulajdonságok előrejelzésére, különösen a vasban gazdag, olvadt vagy olvadáshoz közeli hőmérsékletű régiókban.
"Ami különösen izgalmas, hogy az anyagszimulációs módszereink alkalmazhatók erősen korrelált anyagokra – multiferroicokra, ferroelektromosokra és általában magas hőmérsékletű anyagokra" – mondja Wentzcovitch. "Képesek leszünk javítani a Föld 3D-s tomográfiás képeinek elemzésén, és többet megtudhatunk arról, hogy a Föld belsejében uralkodó nyomónyomás közvetett módon befolyásolja életünket fent, a Föld felszínén."
Hivatkozás: Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes és Renata M. Wentzcovitch „A vas-spin keresztezés szeizmológiai kifejeződése a ferroperiklaszban a Föld alsó köpenyében” 8. október, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z
