Иллюстрация к статье Nature Communications «Сейсмологическое выражение кроссовера спинов железа в ферропериклазе в нижней мантии Земли». Предоставлено: Николетта Баролини / Columbia Engineering.
Многопрофильная группа физиков-материаловедов и геофизиков объединяет теоретические предсказания, моделирование и сейсмическую томографию, чтобы найти спиновой переход в мантии Земли.
Недра Земли - загадка, особенно на больших глубинах (> 660 км). У исследователей есть только сейсмотомографические изображения этого региона, и для их интерпретации им необходимо рассчитать сейсмические (акустические) скорости в минералах при высоких давлениях и температурах. С помощью этих расчетов они могут создавать трехмерные карты скоростей и выяснять минералогию и температуру наблюдаемых регионов. Когда в минерале происходит фазовый переход, например изменение кристаллической структуры под давлением, ученые наблюдают изменение скорости, обычно резкий скачок сейсмической скорости.
В 2003 году ученые наблюдали в лаборатории новый тип фазового перехода в минералах - изменение спина железа в ферропериклазе, втором по распространенности компоненте нижней мантии Земли. Изменение спина или кроссовер спина может происходить в минералах, таких как ферропериклаз, под действием внешнего стимула, такого как давление или температура. В течение следующих нескольких лет экспериментальные и теоретические группы подтвердили это фазовое изменение как в ферропериклазе, так и в бриджманите, наиболее распространенной фазе нижней мантии. Но никто не знал, почему и где это происходило.
Холодные, погружающиеся океанические плиты показаны как области с высокой скоростью на (а) и (b), а теплые восходящие мантийные породы показаны как области с медленными скоростями на (с). Пластины и шлейфы производят когерентный томографический сигнал в моделях S-волн, но сигнал частично исчезает в моделях P-волн. Предоставлено: Columbia Engineering.
В 2006 году профессор инженерных наук Колумбийского университета Рената Венцкович опубликовала свою первую статью о ферропериклазе, в которой изложена теория спинового кроссовера в этом минерале. Ее теория предполагала, что это произошло через тысячу километров в нижней части мантии. С тех пор Венцкович, профессор кафедры прикладной физики и прикладной математики, наук о Земле и окружающей среде, и обсерватории Земли Ламонта-Доэрти в Колумбийский университет, вместе со своей группой опубликовала 13 работ по этой теме, в которых исследуются скорости во всех возможных ситуациях спинового кроссовера в ферропериклазе и бриджманите и предсказываются свойства этих минералов на протяжении всего этого кроссовера. В 2014 году Венцкович, чьи исследования сосредоточены на вычислительных квантово-механических исследованиях материалов в экстремальных условиях, в частности, планетарных материалов, предсказал, как это явление изменения вращения может быть обнаружено на сейсмотомографических изображениях, но сейсмологи все еще не могли его увидеть.
Работая с многопрофильной командой из Columbia Engineering, Университет Осло, Токийский технологический институт и Intel Co., в последней статье Венцковича подробно описывается, как они теперь идентифицировали сигнал спинового кроссовера ферропериклаза, квантовый фазовый переход глубоко в нижней мантии Земли. Это было достигнуто путем изучения конкретных регионов мантии Земли, где ожидается изобилие ферропериклаза. Исследование было опубликовано 8 октября 2021 г. в Природа связи.
«Это захватывающее открытие, которое подтверждает мои предыдущие предсказания, демонстрирует важность совместной работы физиков-материаловедов и геофизиков, чтобы узнать больше о том, что происходит глубоко внутри Земли», - сказал Венцкович.
Спиновый переход обычно используется в материалах, подобных тем, которые используются для магнитной записи. Если вы растянете или сожмете несколько слоев магнитного материала толщиной всего несколько нанометров, вы сможете изменить магнитные свойства слоя и улучшить записывающие свойства носителя. Новое исследование Венцковича показывает, что то же самое явление происходит на тысячах километров в недрах Земли, от нано- до макромасштаба.
«Более того, геодинамическое моделирование показало, что кроссовер спинов усиливает конвекцию в мантии Земли и движение тектонических плит. Поэтому мы думаем, что это квантовое явление также увеличивает частоту тектонических событий, таких как землетрясения и извержения вулканов », - отмечает Венцкович.
Есть еще много областей, в которых исследователи мантии не понимают, и изменение состояния спина имеет решающее значение для понимания скоростей, фазовой стабильности и т. Д. Венцкович продолжает интерпретировать сейсмические томографические карты, используя сейсмические скорости, предсказанные ab initio расчеты на основе теории функционала плотности. Она также разрабатывает и применяет более точные методы моделирования материалов для прогнозирования сейсмических скоростей и транспортных свойств, особенно в регионах, богатых железом, расплавом или при температурах, близких к плавлению.
«Что особенно интересно, так это то, что наши методы моделирования материалов применимы к сильно коррелированным материалам - мультиферроикам, сегнетоэлектрикам и материалам при высоких температурах в целом», - говорит Венцкович. «Мы сможем улучшить наш анализ трехмерных томографических изображений Земли и узнать больше о том, как сокрушительное давление внутри Земли косвенно влияет на нашу жизнь наверху, на поверхности Земли».
Ссылка: «Сейсмологическое выражение кроссовера спина железа в ферропериклазе в нижней мантии Земли» Грейс Э. Шепард, Кристин Хаузер, Джон У. Хернлунд, Хуан Дж. Валенсия-Кардона, Рейдар Г. Трённес и Рената М. Венцкович, 8 Октябрь 2021 г., Природа связи.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-Z
