Kvantový fázový přechod detekován v globálním měřítku hluboko na Zemi

Interdisciplinární tým materiálových fyziků a geofyziků kombinuje teoretické předpovědi, simulace a seismickou tomografii, aby našel přenos rotace v plášti Země.

Vnitřek Země je záhadou, zejména v největších hloubkách (> 660 km). Výzkumníci mají pouze seismické průřezové obrazy této oblasti a k ​​jejich interpretaci potřebují vypočítat seismické (akustické) rychlosti v minerálech za vysokých tlaků a teplot. Pomocí těchto výpočtů mohou vytvářet 3D rychlostní mapy a učit se minerálům a teplotě pozorovaných oblastí. Dojde -li u minerálu k fázovému přechodu, jako je změna struktury krystalu pod napětím, vědci pozorují změnu rychlosti, obvykle prudký zlom v seismické rychlosti.

V roce 2003 vědci v laboratoři pozorovali nový typ fázové změny minerálů – spinovou změnu železa ve ferroperikláze, druhé nejhojnější složce spodního pláště Země. Změna spinu nebo spinového spojení může nastat u minerálů, jako je ferroperiklasa, pod externím katalyzátorem, jako je tlak nebo teplota. Během několika příštích let experimentální a teoretické skupiny potvrdily tuto fázovou změnu u ferroperiklasy i bridgmanitu, nejhojnější fáze spodního pláště. Nikdo si ale nebyl úplně jistý, proč a kde se to stalo.

V roce 2006 publikovala profesorka inženýrství na Kolumbijské univerzitě Renata Wenitzkowicz svůj první příspěvek o ferroperikláze, který v tomto minerálu poskytl teorii spin-intersection. Její teorie naznačovala, že se to stane přes tisíc kilometrů ve spodním plášti. Od té doby Wentzkowitz, profesor aplikované fyziky a Katedra aplikované matematiky, věd o Zemi a životním prostředí a observatoř Země Lamont-Doherty na Kolumbijská univerzita, publikovala 13 výzkumných prací se svou skupinou na toto téma, zkoumala rychlosti ve všech možných případech spinového spojení ve ferroperikláze a bridgmanitu a předpovídala vlastnosti těchto minerálů během tohoto spojení. V roce 2014 Wenzcovitch, jehož výzkum se zaměřuje na kvantově mechanické studie materiálů v extrémních podmínkách, zejména planetárních materiálů, předpověděl, jak by tento jev měnící se spin mohl být detekován v seismických tomogramech, ale seismologové to stále neviděli.

Práce s multidisciplinárním týmem společnosti Columbia Engineering, Univerzita v OsluLtd., Tokijský technologický institut a Intel Corporation, nejnovější výzkumný dokument Wenzcovitche, který ukazuje, jak nyní identifikovali signál ferrocyklické křižovatky, kvantový přechod hluboko v dolním plášti Země. Toho bylo dosaženo při pohledu na konkrétní oblasti v zemském plášti, kde se očekává hojnost ferroperiklasy. Studie byla zveřejněna 8. října 2021 v Spojení přírody.

„Tento vzrušující objev, který potvrzuje mé předchozí předpovědi, ukazuje důležitost spolupráce fyzikálních a geofyzikálních materiálů, aby se dozvěděli více o tom, co se děje hluboko na Zemi,“ řekl Wentzkowitz.

Rotační přechod se běžně používá v materiálech, jako jsou materiály používané v magnetickém záznamu. Pokud natáhnete nebo stlačíte několik nanometrů silných vrstev magnetického materiálu, můžete změnit magnetické vlastnosti vrstvy a zlepšit vlastnosti záznamu na médium. Nová studie Wentzcovitche ukazuje, že stejný jev se vyskytuje v tisících kilometrech v nitru Země, když se pohybuje od nanometra k makro měřítku.

Geodynamické simulace navíc ukázaly, že spinový přechod aktivuje konvekci v zemském plášti a pohyb tektonických desek. Myslíme si tedy, že tento kvantový jev také zvyšuje frekvenci tektonických událostí, jako jsou zemětřesení a sopečné erupce, “poznamenává Wentzkowitz.

Stále existuje mnoho oblastí pláště, kterým vědci nerozumí, a změna stavu rotace je rozhodující pro pochopení rychlostí, fázové stability atd. Wentzkowitz pokračuje v interpretaci map seismické tomografie pomocí předpovídaných seismických rychlostí Od začátku Výpočty založené na funkční hustotní teorii. Rovněž vyvíjí a aplikuje přesnější techniky simulace materiálu k předpovědi seismických rychlostí a transportních vlastností, zejména v oblastech bohatých na železo, roztavené nebo při teplotách blízkých tání.

„Zvláště vzrušující je, že naše metody simulace materiálů jsou použitelné na silně propojené materiály – feroelektrika a materiály s vysokou teplotou obecně,“ říká Wentzkowicz. „Budeme schopni zlepšit naše analýzy 3D tomogramů Země a dozvědět se více o tom, jak drtivé tlaky nitra Země nepřímo ovlivňují náš život nad Zemí.“

Odkaz: „Seismické vyjádření rotačního spojení ferroperiklasy v dolním plášti Země“ od Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons a Renata M. Wenitzkowicz, 8. října 2021 , Spojení přírody.
DOI: 10,1038 / s41467-021-26115-z