Kwantowe przejście fazowe w skali globalnej wykryte głęboko pod Ziemią – Herald Leak

Interdyscyplinarny zespół fizyków materiałowych i geofizyków łączy przewidywania teoretyczne, symulacje i tomografię sejsmiczną, aby znaleźć transmisję spinu w płaszczu Ziemi.

Wnętrze Ziemi jest tajemnicą, zwłaszcza na największych głębokościach (>660 km). Naukowcy dysponują jedynie tomogramami sejsmicznymi tego regionu i aby je zinterpretować, muszą obliczyć prędkości sejsmiczne (akustyczne) w minerałach przy wysokich ciśnieniach i temperaturach. Dzięki tym obliczeniom mogą tworzyć mapy prędkości 3D oraz poznawać minerały i temperaturę obserwowanych obszarów. Kiedy w minerale zachodzi przemiana fazowa, taka jak zmiana struktury krystalicznej pod ciśnieniem, naukowcy obserwują zmianę prędkości, zwykle gwałtowną przerwę w prędkości sejsmicznej.

W 2003 roku naukowcy w laboratorium zaobserwowali nowy rodzaj zmiany fazy w minerałach — zmianę spinu żelaza w ferroperyklazie, drugim najliczniejszym składniku dolnego płaszcza Ziemi. Zmiana spinu lub połączenia spinowego może wystąpić w minerałach, takich jak ferroperyklaza pod wpływem zewnętrznego katalizatora, takiego jak ciśnienie lub temperatura. W ciągu następnych kilku lat grupy doświadczalne i teoretyczne potwierdziły tę zmianę fazową zarówno w ferroperyklazie, jak i brydgmanicie, najliczniejszej fazie dolnego płaszcza. Ale nikt nie był do końca pewien, dlaczego i gdzie to się stało.

Zimne i niższe płyty oceaniczne są postrzegane jako regiony o dużej prędkości w (a) i (b), a ciepłe, upwellingowe skały płaszcza są postrzegane jako regiony o małej prędkości w (c). Płyty i kolumny wytwarzają spójny sygnał tomograficzny w modelach fali S, ale sygnał częściowo zanika w modelach fali P. Źródło: Columbia Engineering

W 2006 r. profesor inżynierii Uniwersytetu Columbia Renata Wenitzkowicz opublikowała swoją pierwszą pracę na temat ferroperyklazy, dostarczając teorii przecięcia spinów w tym minerale. Jej teoria sugerowała, że ​​nastąpi to na przestrzeni tysiąca kilometrów w dolnym płaszczu. Od tego czasu Wentzkowitz, profesor fizyki stosowanej i Wydział Matematyki Stosowanej, Nauk o Ziemi i Środowisku oraz Obserwatorium Ziemi Lamonta-Doherty’ego Uniwersytet Columbia, opublikowała wraz ze swoją grupą 13 prac badawczych na ten temat, badając prędkości w każdym możliwym przypadku połączenia spinowego w ferroperyklazie i brydgmanicie oraz przewidując właściwości tych minerałów podczas tego połączenia. W 2014 r. Wenzcovitch, którego badania koncentrują się na badaniach mechaniki kwantowej materiałów w ekstremalnych warunkach, zwłaszcza materiałów planetarnych, przewidział, w jaki sposób to zjawisko zmiany spinu może zostać wykryte na tomogramach sejsmicznych, ale sejsmolodzy nadal tego nie widzieli.

Współpraca z multidyscyplinarnym zespołem Columbia Engineering, Uniwersytet w OsloLtd., Tokyo Institute of Technology i Intel Corporation, najnowszy artykuł badawczy Wenzcovitcha, pokazujący, w jaki sposób zidentyfikowali sygnał połączenia ferrocyklicznego, kwantowe przejście głęboko w dolnym płaszczu Ziemi. Udało się to osiągnąć poprzez przyjrzenie się określonym regionom płaszcza Ziemi, w których oczekuje się obfitości ferroperyklazy. Badanie zostało opublikowane 8 października 2021 r Połączenia z naturą.

„To ekscytujące odkrycie, które potwierdza moje wcześniejsze przewidywania, pokazuje znaczenie współpracy fizyków materiałów i geofizyków, aby dowiedzieć się więcej o tym, co dzieje się głęboko w Ziemi” – powiedział Wentzkowitz.

Przejście obrotowe jest powszechnie stosowane w materiałach, takich jak te stosowane w zapisie magnetycznym. Jeśli rozciągniesz lub skompresujesz kilka nanometrowych warstw materiału magnetycznego, możesz zmienić właściwości magnetyczne warstwy i poprawić właściwości zapisu nośnika. Nowe badania Wentzcovitcha pokazują, że to samo zjawisko występuje na przestrzeni tysięcy kilometrów we wnętrzu Ziemi, gdy przechodzi ona od skali nano do skali makro.

Co więcej, symulacje geodynamiczne wykazały, że złącze spinowe aktywuje konwekcję w płaszczu Ziemi i ruch płyt tektonicznych. Uważamy więc, że to zjawisko kwantowe zwiększa również częstotliwość zdarzeń tektonicznych, takich jak trzęsienia ziemi i erupcje wulkanów”, zauważa Wentzkowitz.

Nadal istnieje wiele obszarów płaszcza, których naukowcy nie rozumieją, a zmiana stanu spinu ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia prędkości, stabilności faz itp. Wentzkowitz kontynuuje interpretację map tomografii sejsmicznej przy użyciu przewidywanych prędkości sejsmicznych Od początku Obliczenia oparte na teorii funkcjonału gęstości. Opracowuje również i stosuje dokładniejsze techniki symulacji materiałów w celu przewidywania prędkości sejsmicznych i właściwości transportowych, szczególnie w regionach bogatych w żelazo, stopione lub bliskie topnienia.

„Szczególnie ekscytujące jest to, że nasze metody symulacji materiałów mają zastosowanie do silnie połączonych materiałów – ferroelektryków i ogólnie materiałów wysokotemperaturowych” – mówi Wentzkowicz. „Będziemy w stanie ulepszyć nasze analizy trójwymiarowych tomogramów Ziemi i dowiedzieć się więcej o tym, jak miażdżące ciśnienie we wnętrzu Ziemi pośrednio wpływa na nasze życie nad Ziemią”.

Odniesienie: „Ekspresja sejsmiczna połączenia spinowego ferroperyklazy w dolnym płaszczu Ziemi” Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons i Renata M. Wenitzkowicz, 8 października 2021 r. , Połączenia z naturą.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z