Illustratie bij Nature Communications-paper, "Seismologische uitdrukking van de ijzerspin-crossover in ferroperiklaas in de onderste mantel van de aarde." Krediet: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
Een multidisciplinair team van materiaalfysici en geofysici combineren theoretische voorspellingen, simulaties en seismische tomografie om spinovergangen in de aardmantel te vinden.
Het binnenste van de aarde is een mysterie, vooral op grotere diepten (> 660 km). Onderzoekers hebben alleen seismische tomografische beelden van dit gebied en om ze te interpreteren moeten ze seismische (akoestische) snelheden in mineralen bij hoge drukken en temperaturen berekenen. Met die berekeningen kunnen ze 3D-snelheidskaarten maken en de mineralogie en temperatuur van de waargenomen regio's achterhalen. Wanneer een faseovergang optreedt in een mineraal, zoals een kristalstructuurverandering onder druk, observeren wetenschappers een snelheidsverandering, meestal een scherpe seismische snelheidsdiscontinuïteit.
In 2003 observeerden wetenschappers in een laboratorium een nieuw type faseverandering in mineralen - een spinverandering in ijzer in ferropericlase, het op een na meest voorkomende onderdeel van de onderste mantel van de aarde. Een spin-verandering, of spin-crossover, kan plaatsvinden in mineralen zoals ferroperiklaas onder een externe stimulus, zoals druk of temperatuur. In de loop van de volgende jaren bevestigden experimentele en theoretische groepen deze faseverandering in zowel ferropericlase als bridgmanite, de meest voorkomende fase van de onderste mantel. Maar niemand wist precies waarom of waar dit gebeurde.
Koude, subducerende oceanische platen worden gezien als gebieden met hoge snelheid in (a) en (b), en warm opstijgend mantelgesteente wordt gezien als gebieden met lage snelheid in (c). Platen en pluimen produceren een coherent tomografisch signaal in S-golfmodellen, maar het signaal verdwijnt gedeeltelijk in P-golfmodellen. Krediet: Columbia Engineering
In 2006 publiceerde Columbia Engineering Professor Renata Wentzcovitch haar eerste paper over ferropericlase, met een theorie voor de spin-crossover in dit mineraal. Haar theorie suggereerde dat het over duizend kilometer in de lagere mantel gebeurde. Sindsdien heeft Wentzcovitch, professor in de afdeling toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde, aard- en milieuwetenschappen, en Lamont-Doherty Earth Observatory aan de Columbia University, heeft met haar groep 13 artikelen over dit onderwerp gepubliceerd, waarin snelheden in elke mogelijke situatie van de spin-crossover in ferropericlase en bridgmanite worden onderzocht en eigenschappen van deze mineralen tijdens deze cross-over worden voorspeld. In 2014 voorspelde Wenzcovitch, wiens onderzoek zich richt op computationele kwantummechanische studies van materialen onder extreme omstandigheden, in het bijzonder planetaire materialen, hoe dit fenomeen van spinverandering kan worden gedetecteerd in seismische tomografische beelden, maar seismologen konden het nog steeds niet zien.
Werken met een multidisciplinair team van Columbia Engineering, de Universiteit van Oslo, het Tokyo Institute of Technology, en Intel Co., Wenzcovitch's nieuwste paper beschrijft hoe ze nu het ferropericlase spin-crossover-signaal hebben geïdentificeerd, een kwantumfase-overgang diep in de onderste mantel van de aarde. Dit werd bereikt door te kijken naar specifieke regio's in de aardmantel waar ferroperiklaas naar verwachting overvloedig zal zijn. Het onderzoek is op 8 oktober 2021 gepubliceerd in Nature Communications.
"Deze opwindende bevinding, die mijn eerdere voorspellingen bevestigt, illustreert het belang van materiaalfysici en geofysici die samenwerken om meer te weten te komen over wat er zich diep in de aarde afspeelt," zei Wentzcovitch.
Spinovergang wordt vaak gebruikt in materialen zoals die worden gebruikt voor magnetische opname. Als u slechts enkele nanometer dikke lagen van een magnetisch materiaal uitrekt of comprimeert, kunt u de magnetische eigenschappen van de laag veranderen en de opname-eigenschappen van het medium verbeteren. De nieuwe studie van Wentzcovitch laat zien dat hetzelfde fenomeen zich over duizenden kilometers in het binnenste van de aarde voordoet, van nano- tot macroschaal.
"Bovendien hebben geodynamische simulaties aangetoond dat de spin-crossover convectie in de aardmantel en tektonische plaatbeweging stimuleert. Dus we denken dat dit kwantumfenomeen ook de frequentie van tektonische gebeurtenissen zoals aardbevingen en vulkaanuitbarstingen verhoogt", merkt Wentzcovitch op.
Er zijn nog steeds veel regio's van de mantel die onderzoekers niet begrijpen en verandering van spintoestand is van cruciaal belang voor het begrijpen van snelheden, fasestabiliteiten, enz. Wentzcovitch gaat door met het interpreteren van seismische tomografische kaarten met behulp van seismische snelheden die worden voorspeld door ab initio berekeningen gebaseerd op dichtheidsfunctionaaltheorie. Ze ontwikkelt en past ook nauwkeuriger materiaalsimulatietechnieken toe om seismische snelheden en transporteigenschappen te voorspellen, met name in regio's die rijk zijn aan ijzer, gesmolten of bij temperaturen die bijna smelten.
"Wat vooral opwindend is, is dat onze materiaalsimulatiemethoden toepasbaar zijn op sterk gecorreleerde materialen - multiferroïcum, ferro-elektriciteit en materialen bij hoge temperaturen in het algemeen", zegt Wentzcovitch. "We zullen onze analyses van 3D-tomografische beelden van de aarde kunnen verbeteren en meer leren over hoe de verpletterende druk van het binnenste van de aarde indirect ons leven boven, op het aardoppervlak, beïnvloedt."
Referentie: "Seismologische uitdrukking van de ijzerspin-crossover in ferroperiklaas in de onderste mantel van de aarde" door Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes en Renata M. Wentzcovitch, 8 oktober 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z
