Квантовий фазовий перехід, виявлений у глобальному масштабі глибоко в Землі

Міждисциплінарна група фізиків -матеріалознавців та геофізиків об’єднує теоретичні передбачення, моделювання та сейсмічну томографію, щоб знайти спінову передачу в мантії Землі.

Внутрішність Землі є загадкою, особливо на найбільших глибинах (> 660 км). Дослідники мають лише сейсмічні знімки цього поперечного перерізу, і для їх інтерпретації їм потрібно розрахувати сейсмічні (акустичні) швидкості в мінералах при високих тисках і температурах. За допомогою цих розрахунків вони можуть створити тривимірні карти швидкості та дізнатися мінерали та температуру областей спостереження. Коли в мінералі відбувається фазовий перехід, наприклад зміна структури кристалів під напругою, вчені спостерігають зміну швидкості, як правило, різкий зрив сейсмічної швидкості.

У 2003 році вчені в лабораторії спостерігали новий тип фазової зміни мінералів – спінову зміну заліза у феропериклазі, другому за поширеністю компоненті нижньої мантії Землі. Зміна спіну або спінового з’єднання може відбуватися в мінералах, таких як феропериклаз, під дією зовнішнього каталізатора, такого як тиск або температура. Протягом наступних кількох років експериментальні та теоретичні групи підтвердили цю фазову зміну як у феропериклазі, так і в бригманіті, найпоширенішій фазі нижньої мантії. Але ніхто не був точно впевнений, чому і де це сталося.

Холодні та нижні океанічні плити розглядаються як області швидкої швидкості в (а) і (б), а теплі мантійні породи, що піднімаються вгору, розглядаються як області повільної швидкості в (с). Пластини та колонки виробляють когерентний томографічний сигнал у моделях S-хвилі, але сигнал частково зникає у моделях зубців Р. Кредит: Columbia Engineering

У 2006 році професор інженерного факультету Колумбійського університету Рената Веніцкович опублікувала свою першу статтю про феропериклаз, у якій викладена теорія спінових перетинів цього мінералу. Її теорія припускає, що це станеться через тисячу кілометрів у нижній мантії. Відтоді Венцковіц, професор прикладної фізики та кафедри прикладної математики, наук про Землю та навколишнє середовище та обсерваторії Землі Ламонта-Доерті в Колумбійський університет, опублікувала 13 дослідницьких робіт зі своєю групою на цю тему, досліджуючи швидкості у всіх можливих випадках спінового переходу в феропериклазі та бриджманіті та прогнозуючи властивості цих мінералів під час цього стику. У 2014 році Венцкович, чиє дослідження зосереджується на квантово-механічних дослідженнях матеріалів в екстремальних умовах, особливо планетних матеріалів, передбачив, як це явище зі спіновими змінами може бути виявлено на сейсмічних томограмах, але сейсмологи все ще не могли цього побачити.

Працюючи з багатопрофільною командою компанії Columbia Engineering, Університет ОслоLtd., Токійський технологічний інститут та корпорація Intel, остання наукова робота Венцковича, яка показує, як вони тепер ідентифікували сигнал фероциклічного переходу, квантовий перехід глибоко в нижній мантії Землі. Це було досягнуто, якщо подивитися на певні регіони мантії Землі, де очікується велика кількість феропериклазу. Дослідження було опубліковане 8 жовтня 2021 р Зв’язки з природою.

“Це захоплююче відкриття, яке підтверджує мої попередні прогнози, демонструє важливість спільної роботи фізиків і геофізиків, щоб дізнатися більше про те, що відбувається глибоко на Землі”, – сказав Венцковіц.

Обертальний перехід зазвичай використовується в таких матеріалах, як ті, що використовуються для магнітного запису. Якщо розтягнути або стиснути кілька шарів магнітного матеріалу товщиною нанометрів, можна змінити магнітні властивості шару та покращити властивості запису на носій. Нове дослідження В.

Крім того, геодинамічне моделювання показало, що спіновий перехід активує конвекцію в мантії Землі та рух тектонічних плит. Тому ми думаємо, що це квантове явище також збільшує частоту тектонічних подій, таких як землетруси та виверження вулканів », – зазначає Венцковіц.

Є ще багато областей мантії, які дослідники не розуміють, і зміна стану спіну має вирішальне значення для розуміння швидкостей, фазової стабільності тощо. Венцковіц продовжує інтерпретувати карти сейсмічної томографії, використовуючи прогнозовані швидкості сейсмічних досліджень З самого початку Розрахунки на основі теорії функціоналу щільності. Він також розробляє та застосовує більш точні методи моделювання матеріалів для прогнозування сейсмічних швидкостей та транспортних властивостей, особливо у регіонах, багатих залізом, розплавом або при температурах майже плавлення.

“Особливо захоплюючим є те, що наші методи моделювання матеріалів застосовуються до міцно взаємопов’язаних матеріалів – сегнетоелектриків та високотемпературних матеріалів загалом”, – говорить Венцкович. “Ми зможемо покращити наш аналіз 3D -томограм Землі та дізнаємось більше про те, як тиск, що руйнує внутрішні органи Землі, побічно впливає на наше життя над Землею”.

Довідка: “Сейсмічна експресія спінового переходу феропериклазу в нижній мантії Землі”, Грейс Е. Шеппард, Крістін Хаузер, Джон У. Гернлунд, Хуан Дж. Валенсія Кардона, Редар Г. Тронс та Рената М. Веніцкович, 8 жовтня 2021 р. , Зв’язки з природою.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z