Geofisica estrema: transizione di fase quantistica rilevata su scala globale nelle profondità della Terra

Un team multidisciplinare di fisici dei materiali e geofisici combina previsioni teoriche, simulazioni e tomografia sismica per trovare la transizione di spin nel mantello terrestre.

L'interno della Terra è un mistero, soprattutto a profondità maggiori (> 660 km). I ricercatori hanno solo immagini tomografiche sismiche di questa regione e, per interpretarle, devono calcolare le velocità sismiche (acustiche) nei minerali ad alte pressioni e temperature. Con questi calcoli, possono creare mappe di velocità 3D e calcolare la mineralogia e la temperatura delle regioni osservate. Quando si verifica una transizione di fase in un minerale, come un cambiamento della struttura cristallina sotto pressione, gli scienziati osservano un cambiamento di velocità, di solito una forte discontinuità di velocità sismica.

Nel 2003, gli scienziati hanno osservato in laboratorio un nuovo tipo di cambiamento di fase nei minerali: un cambiamento di spin nel ferro nella ferropericlasi, il secondo componente più abbondante del mantello inferiore della Terra. Un cambio di spin, o un crossover di spin, può verificarsi in minerali come la ferropericlasi sotto uno stimolo esterno, come la pressione o la temperatura. Negli anni successivi, gruppi sperimentali e teorici hanno confermato questo cambiamento di fase sia nella ferropericlasi che nella bridgmanite, la fase più abbondante del mantello inferiore. Ma nessuno era abbastanza sicuro del perché o dove stesse accadendo.

Nel 2006, la professoressa di ingegneria della Columbia Renata Wentzcovitch ha pubblicato il suo primo articolo sulla ferropericlasi, fornendo una teoria per lo spin crossover in questo minerale. La sua teoria suggeriva che fosse successo per mille chilometri nel mantello inferiore. Da allora, Wentzcovitch, che è professore nel dipartimento di fisica applicata e matematica applicata, scienze della terra e dell'ambiente, e Lamont-Doherty Earth Observatory presso Columbia University, ha pubblicato 13 articoli con il suo gruppo su questo argomento, studiando le velocità in ogni possibile situazione dello spin crossover in ferropericlasi e bridgmanite e prevedendo le proprietà di questi minerali durante questo crossover. Nel 2014, Wenzcovitch, la cui ricerca si concentra su studi di meccanica quantistica computazionale di materiali in condizioni estreme, in particolare materiali planetari, ha previsto come questo fenomeno di cambio di rotazione potrebbe essere rilevato nelle immagini tomografiche sismiche, ma i sismologi non sono ancora riusciti a vederlo.

Lavorando con un team multidisciplinare della Columbia Engineering, il Università di Oslo, il Tokyo Institute of Technology e Intel Co., l'ultimo articolo di Wenzcovitch descrive in dettaglio come hanno ora identificato il segnale di crossover di spin della ferropericlasi, una transizione di fase quantistica in profondità all'interno del mantello inferiore della Terra. Ciò è stato ottenuto osservando regioni specifiche del mantello terrestre in cui si prevede che il ferropericlasi sia abbondante. Lo studio è stato pubblicato l'8 ottobre 2021, in Nature Communications.

"Questa scoperta entusiasmante, che conferma le mie precedenti previsioni, illustra l'importanza dei fisici dei materiali e dei geofisici che lavorano insieme per saperne di più su ciò che sta accadendo nelle profondità della Terra", ha affermato Wentzcovitch.

La transizione di rotazione è comunemente usata in materiali come quelli usati per la registrazione magnetica. Se allunghi o comprimi solo pochi strati di un materiale magnetico spessi un nanometro, puoi modificare le proprietà magnetiche dello strato e migliorare le proprietà di registrazione del supporto. Il nuovo studio di Wentzcovitch mostra che lo stesso fenomeno si verifica per migliaia di chilometri all'interno della Terra, portandolo dalla nanoscala alla macroscala.

“Inoltre, le simulazioni geodinamiche hanno dimostrato che lo spin crossover rinvigorisce la convezione nel mantello terrestre e il movimento della placca tettonica. Quindi pensiamo che questo fenomeno quantistico aumenti anche la frequenza di eventi tettonici come terremoti ed eruzioni vulcaniche", osserva Wentzcovitch.

Ci sono ancora molte regioni del mantello che i ricercatori non capiscono e il cambiamento dello stato di rotazione è fondamentale per comprendere le velocità, le stabilità di fase, ecc. Wentzcovitch continua a interpretare le mappe tomografiche sismiche utilizzando le velocità sismiche previste da fin dall'inizio calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità. Sta inoltre sviluppando e applicando tecniche di simulazione dei materiali più accurate per prevedere le velocità sismiche e le proprietà di trasporto, in particolare nelle regioni ricche di ferro, fuso oa temperature prossime allo scioglimento.

"Ciò che è particolarmente interessante è che i nostri metodi di simulazione dei materiali sono applicabili a materiali fortemente correlati: multiferroici, ferroelettrici e materiali ad alte temperature in generale", afferma Wentzcovitch. "Saremo in grado di migliorare le nostre analisi delle immagini tomografiche 3D della Terra e saperne di più su come le pressioni schiaccianti dell'interno della Terra stanno influenzando indirettamente le nostre vite sopra, sulla superficie terrestre".

Riferimento: "Espressione sismologica del crossover di spin di ferro in ferropericlasio nel mantello inferiore della Terra" di Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes e Renata M. Wentzcovitch, 8 ottobre 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z