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极端地球物理学:在地球深处的全球尺度上检测到量子相变

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地球下地幔铁镁石中铁自旋交叉的地震学表达

自然通讯论文的插图,“地球下地幔中铁方镁石中铁自旋交叉的地震学表达”。 学分:Nicoletta Barolini/哥伦比亚工程

材料物理学家和地球物理学家的多学科团队将理论预测、模拟和地震层析成像相结合,以发现地幔中的自旋转变。

地球内部是一个谜,尤其是在更深处(> 660 公里)。 研究人员只有该区域的地震层析图像,为了解释它们,他们需要计算高压和高温下矿物的地震(声)速度。 通过这些计算,他们可以创建 3D 速度图并计算出观测区域的矿物学和温度。 当矿物中发生相变时,例如在压力下晶体结构发生变化时,科学家会观察到速度变化,通常是剧烈的地震速度不连续性。

2003 年,科学家在实验室中观察到一种新型的矿物相变——方镁石中铁的自旋变化,这是地球下地幔中第二丰富的成分。 在压力或温度等外部刺激下,铁方镁石等矿物可能会发生自旋变化或自旋交叉。 在接下来的几年里,实验和理论小组证实了铁方镁石和布里奇曼岩的这种相变,这是下地幔中最丰富的相。 但没有人完全确定这是为什么或在哪里发生的。

自旋交叉签名

冷的俯冲海洋板块在(a)和(b)中被视为快速区域,而温暖的上升地幔岩石在(c)中被视为慢速区域。 板块和羽流在 S 波模型中产生相干断层扫描信号,但在 P 波模型中该信号部分消失。 学分:哥伦比亚工程

2006 年,哥伦比亚大学工程学教授 Renata Wentzcovitch 发表了她关于方镁石的第一篇论文,为这种矿物的自旋交叉提供了理论。 她的理论认为它发生在下地幔一千公里的地方。 此后,Wentzcovitch 是应用物理学和应用数学系、地球与环境科学系和拉蒙特-多尔蒂地球观测站的教授。 哥伦比亚大学, 与她的小组就该主题发表了 13 篇论文,调查了方镁石和布里奇曼岩中自旋交叉的每种可能情况下的速度,并预测了这些矿物在整个交叉过程中的性质。 2014 年,专注于极端条件下材料,特别是行星材料的计算量子力学研究的 Wenzcovitch 预测了如何在地震层析图像中检测到这种自旋变化现象,但地震学家仍然看不到它。

与哥伦比亚工程公司的多学科团队合作, 奥斯陆大学,东京工业大学和英特尔公司,Wenzcovitch 的最新论文详细介绍了他们现在如何识别铁方镁石自旋交叉信号,这是地球下地幔深处的量子相变。 这是通过观察地幔中预计富含铁方镁石的特定区域来实现的。 该研究于 8 年 2021 月 XNUMX 日发表在 自然通讯.

“这一令人兴奋的发现证实了我之前的预测,说明了材料物理学家和地球物理学家共同努力以了解更多关于地球深处正在发生的事情的重要性,”Wentzcovitch 说。

自旋跃迁通常用于诸如用于磁记录的材料中。 如果仅拉伸或压缩几纳米厚的磁性材料层,则可以改变层的磁性并改善介质记录性能。 Wentzcovitch 的新研究表明,同样的现象发生在地球内部数千公里的地方,从纳米尺度到宏观尺度。

“此外,地球动力学模拟表明,自旋交叉激发了地幔和构造板块运动中的对流。 因此,我们认为这种量子现象也增加了地震和火山爆发等构造事件的频率,”Wentzcovitch 指出。

仍有许多研究人员不了解地幔区域,自旋状态变化对于了解速度、相位稳定性等至关重要。Wentzcovitch 正在继续使用由预测的地震速度解释地震层析图 从头开始 基于密度泛函理论的计算。 她还在开发和应用更精确的材料模拟技术来预测地震速度和传输特性,特别是在富含铁、熔液或接近熔化温度的地区。

“特别令人兴奋的是,我们的材料模拟方法适用于强相关材料——多铁性、铁电体和一般高温下的材料,”Wentzcovitch 说。 “我们将能够改进对地球 3D 断层扫描图像的分析,并更多地了解地球内部的挤压压力如何间接影响我们在地球表面的生活。”

参考文献:Grace E. Shephard、Christine Houser、John W. Hernlund、Juan J. Valencia-Cardona、Reidar G. Trønnes 和 Renata M. Wentzcovitch 撰写的“地球下地幔中铁方镁石中铁自旋交叉的地震学表达”,8 2021 年 XNUMX 月, 自然通讯.
DOI:10.1038 / s41467 021 26115-Z

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