Ekstremna geofizika: kvantni fazni prijelaz otkriven na globalnoj razini duboko u Zemlji

TEME:Sveučilište ColumbiaGeofizikaTektonske Ploče

Autor: COLUMBIA UNIVERSITY SCHOOL OF ENGINEERING AND APPLIED SCIENCE, 17. LISTOPADA 2021

Ilustracija koja prati dokument Nature Communications, "Seizmološki izraz križanja željeza sa spinom u feroperiklazu u donjem plaštu Zemlje." Zasluge: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering

Multidisciplinarni tim fizičara materijala i geofizičara kombinira teorijska predviđanja, simulacije i seizmičku tomografiju kako bi pronašli prijelaz spina u Zemljinom plaštu.

Unutrašnjost Zemlje je zagonetka, osobito na većim dubinama (> 660 km). Istraživači imaju samo seizmičke tomografske snimke ove regije i, kako bi ih interpretirali, trebaju izračunati seizmičke (akustične) brzine u mineralima pri visokim pritiscima i temperaturama. S tim izračunima mogu stvoriti 3D karte brzina i utvrditi mineralogiju i temperaturu promatranih regija. Kad dođe do faznog prijelaza u mineralu, poput promjene strukture kristala pod pritiskom, znanstvenici promatraju promjenu brzine, obično oštar prekid seizmičke brzine.

Godine 2003. znanstvenici su u laboratoriju primijetili novu vrstu fazne promjene minerala - promjenu spina u željezu u feroperiklazi, drugoj najrasprostranjenijoj komponenti donjeg plašta Zemlje. Promjena centrifuge ili križanje centrifuge može se dogoditi u mineralima poput feroperiklaze pod vanjskim podražajem, poput tlaka ili temperature. Tijekom sljedećih nekoliko godina, eksperimentalne i teoretske skupine potvrdile su ovu faznu promjenu i u feroperiklazu i u bridgmanitu, najzastupljenijoj fazi donjeg plašta. No nitko nije bio sasvim siguran zašto se i gdje to događa.

Hladne, subducirajuće oceanske ploče vide se kao područja brzih brzina u (a) i (b), a topla uzdižuća stijena plašta vidi se kao područja sporih brzina u (c). Ploče i oblaci proizvode koherentan tomografski signal u modelima S-vala, ali signal djelomično nestaje u modelima P-valova. Zasluge: Columbia Engineering

Profesorica Columbia Engineering Renata Wentzcovitch 2006. godine objavila je svoj prvi rad o feroperiklazi, pružajući teoriju o križanju spina u ovom mineralu. Njezina teorija sugerira da se to dogodilo na tisuću kilometara u donjem plaštu. Od tada, Wentzcovitch, koji je profesor na odjelu primijenjene fizike i primijenjene matematike, znanosti o zemlji i okolišu, te Zemljinog opservatorija Lamont-Doherty na Sveučilištu Columbia, objavila je 13 radova sa svojom grupom na tu temu, istražujući brzine u svim mogućim situacijama spin crossovera u feroperiklazu i bridgmanitu te predviđajući svojstva ovih minerala tijekom ovog crossover -a. Godine 2014. Wenzcovitch, čije se istraživanje usredotočuje na računske kvantno -mehaničke studije materijala u ekstremnim uvjetima, posebice planetarnih materijala, predvidio je kako se ovaj fenomen promjene spina može otkriti na seizmičkim tomografskim snimkama, ali seizmolozi to još uvijek nisu mogli vidjeti.

Radeći s multidisciplinarnim timom iz Columbia Engineeringa, Sveučilišta u Oslu , Tokijskog tehnološkog instituta i Intel Co., Wenzcovitchov najnoviji rad detaljno opisuje kako su sada identificirali križni križni signal feroperiklaze, kvantni fazni prijelaz duboko u donjem plaštu Zemlje . To je postignuto promatranjem određenih regija u Zemljinom plaštu u kojima se očekuje da će feroperiklaza biti u izobilju. Studija je objavljena 8. listopada 2021. u časopisu Nature Communications .

"Ovo uzbudljivo otkriće, koje potvrđuje moja ranija predviđanja, ilustrira važnost materijala koji fizičari i geofizičari rade zajedno kako bi saznali više o onome što se događa duboko u Zemlji", rekao je Wentzcovitch.

Spin prijelaz obično se koristi u materijalima poput onih za magnetsko snimanje. Ako rastegnete ili stisnete samo nekoliko nanometarskih slojeva magnetskog materijala, možete promijeniti magnetska svojstva sloja i poboljšati svojstva snimanja medija. Wentzcovitchova nova studija pokazuje da se isti fenomen događa na tisućama kilometara u unutrašnjosti Zemlje, uzimajući to od nano- do makro razmjera.

“Štoviše, geodinamičke simulacije pokazale su da spin -crossover jača konvekciju u Zemljinom plaštu i kretanje tektonskih ploča. Stoga mislimo da ovaj kvantni fenomen također povećava učestalost tektonskih događaja poput potresa i vulkanskih erupcija ”, napominje Wentzcovitch.

Još uvijek postoje mnoge regije plašta koje istraživači ne razumiju, a promjena stanja spina ključna je za razumijevanje brzina, faznih stabilnosti itd. Wentzcovitch nastavlja tumačiti seizmičke tomografske karte koristeći seizmičke brzine predviđene ab initio proračunima na temelju funkcionalne teorije gustoće. Ona također razvija i primjenjuje preciznije tehnike simulacije materijala za predviđanje seizmičkih brzina i transportnih svojstava, osobito u regijama bogatim željezom, rastopljenim ili na temperaturama blizu taljenja.

"Ono što je posebno uzbudljivo je to što su naše metode simulacije materijala primjenjive na jako povezane materijale - multiferoične, feroelektrične i općenito na visokim temperaturama", kaže Wentzcovitch. "Moći ćemo poboljšati naše analize 3D tomografskih snimaka Zemlje i saznati više o tome kako smrtonosni pritisci Zemljine unutrašnjosti neizravno utječu na naše živote iznad, na Zemljinoj površini."

Referenca: “Seizmološki izraz križanja željeza sa spinom u feroperiklazi u donjem plaštu Zemlje”, Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes i Renata M. Wentzcovitch, 8 Listopada 2021., Nature Communications .
DOI: 10.1038/s41467-021-26115-z

Izvor:

scitechdaily.com