Ілюстрація для супроводу статті Nature Communications «Сейсмологічний вираз кросовера спіну заліза в феропериклазі в нижній мантії Землі». Авторство: Ніколетта Бароліні/Columbia Engineering
Мультидисциплінарна команда фізиків-матеріалів і геофізиків поєднує теоретичні прогнози, моделювання та сейсмічну томографію, щоб знайти перехід спіну в мантії Землі.
Внутрішня частина Землі є загадкою, особливо на великих глибинах (> 660 км). Дослідники мають лише сейсмічні томографічні зображення цього регіону, і для їх інтерпретації їм потрібно розрахувати сейсмічні (акустичні) швидкості в мінералах за високих тисків і температур. За допомогою цих розрахунків вони можуть створити тривимірні карти швидкості та визначити мінералогію та температуру спостережуваних регіонів. Коли в мінералі відбувається фазовий перехід, наприклад зміна кристалічної структури під тиском, вчені спостерігають зміну швидкості, як правило, різкий розрив сейсмічної швидкості.
У 2003 році вчені спостерігали в лабораторії новий тип фазової зміни в мінералах — спінову зміну заліза в феропериклазі, другому за поширеністю компоненті нижньої мантії Землі. Зміна спіну або кросовер спіну може статися в таких мінералах, як феропериклаз, під дією зовнішнього стимулу, такого як тиск або температура. Протягом наступних кількох років експериментальні та теоретичні групи підтвердили цю фазову зміну як у феропериклазі, так і в бриджманіті, найпоширенішій фазі нижньої мантії. Але ніхто не був цілком впевнений, чому і де це відбувається.
Холодні, субдукційні океанічні плити розглядаються як високошвидкісні області на (a) і (b), а теплі мантійні породи, що піднімаються, розглядаються як повільні швидкісні області на (c). Пластини та шлейфи створюють когерентний томографічний сигнал у моделях S-хвиль, але сигнал частково зникає в моделях P-хвиль. Авторство: Columbia Engineering
У 2006 році професор Колумбійського інженерного університету Рената Венцковітч опублікувала свою першу статтю про феропериклаз, надавши теорію спінового кросовера в цьому мінералі. Її теорія припускала, що це сталося через тисячу кілометрів у нижній мантії. Відтоді Венцковіч, який є професором кафедри прикладної фізики та прикладної математики, наук про Землю та навколишнє середовище, а також обсерваторії Землі Ламонта-Доерті в Колумбійський університет, опублікувала 13 статей зі своєю групою на цю тему, досліджуючи швидкості в усіх можливих ситуаціях спінового кросинговеру у феропериклазі та бриджманіті та прогнозуючи властивості цих мінералів протягом цього кросинговеру. У 2014 році Венцковітч, чиї дослідження зосереджені на обчислювальних квантово-механічних дослідженнях матеріалів в екстремальних умовах, зокрема планетарних матеріалів, передбачив, як це явище зміни обертання може бути виявлено на сейсмічних томографічних зображеннях, але сейсмологи все ще не могли цього побачити.
Працюючи з мультидисциплінарною командою Columbia Engineering, the Університет Осло, Токійського технологічного інституту та Intel Co., остання стаття Венцковіча розповідає про те, як вони тепер ідентифікували сигнал перехресного спіну феропериклазу, квантовий фазовий перехід глибоко в нижній мантії Землі. Це було досягнуто шляхом вивчення конкретних регіонів мантії Землі, де очікується, що феропериклаз буде у великій кількості. Дослідження опубліковано 8 жовтня 2021 року в Природа зв'язку.
«Це захоплююче відкриття, яке підтверджує мої попередні прогнози, ілюструє важливість спільної роботи фізиків-матеріалів і геофізиків, щоб дізнатися більше про те, що відбувається в глибині Землі», — сказав Венцковіч.
Спіновий перехід зазвичай використовується в таких матеріалах, як ті, що використовуються для магнітного запису. Якщо розтягнути або стиснути лише кілька нанометрових шарів магнітного матеріалу, можна змінити магнітні властивості шару та покращити властивості запису носія. Нове дослідження Венцковіча показує, що те саме явище відбувається на тисячах кілометрів у надрах Землі, переходячи від нано-до макромасштабу.
«Більше того, геодинамічне моделювання показало, що спіновий кросовер активізує конвекцію в мантії Землі та рух тектонічних плит. Тому ми вважаємо, що це квантове явище також збільшує частоту тектонічних подій, таких як землетруси та виверження вулканів», — зазначає Венцковіч.
Є ще багато областей мантії, які дослідники не розуміють, і зміна спінового стану має вирішальне значення для розуміння швидкостей, фазової стабільності тощо. Венцковіч продовжує інтерпретувати сейсмічні томографічні карти, використовуючи сейсмічні швидкості, передбачені ab initio розрахунки на основі теорії функціоналу густини. Вона також розробляє та застосовує точніші методи моделювання матеріалів для прогнозування сейсмічних швидкостей і транспортних властивостей, особливо в регіонах, багатих залізом, розплавленим або при температурах, близьких до плавлення.
«Що особливо захоплююче, так це те, що наші методи моделювання матеріалів застосовні до сильно корельованих матеріалів — мультифероїків, сегнетоелектриків і матеріалів за високих температур загалом», — говорить Венцковіч. «Ми зможемо покращити наш аналіз 3D-томографічних зображень Землі та дізнаємося більше про те, як нищівний тиск у внутрішніх частинах Землі опосередковано впливає на наше життя на поверхні Землі».
Довідка: «Сейсмологічний вираз кросовера спіну заліза у феропериклазі в нижній мантії Землі» Грейс Е. Шепард, Крістін Хаузер, Джон В. Гернлунд, Хуан Дж. Валенсія-Кардона, Рейдар Г. Троннес і Рената М. Венцковіч, 8 Жовтень 2021, Природа зв'язку.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-Z
