Vo vnútri Zeme bol detegovaný globálny kvantový fázový prechod

Multidisciplinárny tím fyzikov a geofyzikov kombinuje teoretické predpovede, simulácie a seizmickú tomografiu, aby našiel spinové prechody v plášti Zeme.

Vnútro Zeme zostáva záhadou, najmä vo väčších hĺbkach (> 660 km). Vedci majú iba seizmické tomografické snímky regiónu a na ich interpretáciu musia vypočítať seizmické (akustické) rýchlosti v mineráloch pri vysokých tlakoch a teplotách. Pomocou týchto výpočtov môžu vytvárať 3D mapy rýchlosti a sledovať mineralogiu a teplotu pozorovaných oblastí. Keď v mineráli dôjde k fázovému prechodu tak, že sa kryštálová štruktúra zmení pod tlakom, vedci pozorujú zmenu rýchlosti, zvyčajne ostrú nerovnováhu seizmickej rýchlosti.

V roku 2003 vedci v laboratóriu pozorovali nový typ fázovej zmeny minerálov – zmenu rotácie železa vo ferropyrkláze, druhej najhojnejšej zložke spodného plášťa Zeme. Zmena rotácie alebo kríženie rotácie môže nastať v mineráloch, ako je ferropyrklas, za vonkajších podnetov, ako je tlak alebo teplota. V priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov experimentálne a teoretické skupiny potvrdili túto fázovú zmenu vo ferroperikláze aj v bridgmanite, najhojnejšej fáze dolného plášťa. Nikto si však nebol istý, prečo a kde sa to deje.

V (a) a (b) sú studené, subdukujúce oceánske dosky považované za oblasti s vysokou rýchlosťou a teplejší stúpajúci plášťový plášť je považovaný za pomaly sa pohybujúce oblasti v (c). Dosky a oblaky produkujú v modeli vlny S koherentný tomografický signál, ale v modeli vlny P signál čiastočne zmizne. kredity: Columbia Engineering

V roku 2006 publikovala profesorka inžinierstva v Kolumbii Renata Ventzkovichová svoj prvý príspevok o ferroperikláze, ktorý poskytuje teóriu o spinovom crossoveri v tomto mineráli. Jeho teória naznačovala, že sa to stalo viac ako tisíc kilometrov v dolnom plášti. Od tej doby je Wentzkovic profesorom katedier aplikovanej fyziky a aplikovanej matematiky, vied o Zemi a životnom prostredí a observatória Zeme Lamont-Doherty. Kolumbijská univerzita, publikoval so svojou skupinou 13 článkov na túto tému, skúmajúcich rýchlosti v každom možnom stave spinového crossoveru vo ferroperikláze a bridgmanite a predpovedá vlastnosti týchto minerálov v tomto crossoveri. V roku 2014 Venzkovich, ktorého výskum sa zameriava na výpočtové kvantovo mechanické štúdie materiálov v extrémnych podmienkach, najmä planetárnych materiálov, predpovedal, ako by sa tento jav zmeny točenia mohol zistiť na seizmických tomografických obrázkoch, ale seizmológovia to ešte nemohli vidieť.

Práca s multidisciplinárnym tímom spoločnosti Columbia Engineering, Univerzita v Osle, Tokijský technologický inštitút a Intel Co., Wenzkovic opisuje, ako teraz identifikovali krížový signál ferropyrickej rotácie, kvantový fázový prechod v dolnom plášti Zeme. To sa získalo pohľadom na konkrétne oblasti v zemskom plášti, kde sa očakáva hojný výskyt ferroperiklázy. Štúdia bola zverejnená 8. októbra 2021 prírodná komunikácia.

„Tento vzrušujúci objav, ktorý potvrdzuje moje predchádzajúce predpovede, ukazuje dôležitosť spolupráce fyzických fyzikov a geofyzikov, aby sa dozvedeli viac o tom, čo sa deje hlboko na Zemi,“ povedal Wentzkovic.

Spinové prechody sa bežne používajú v materiáloch používaných na magnetický záznam. Ak natiahnete alebo stlačíte niekoľko nanometrových vrstiev magnetického materiálu, môžete zmeniť magnetické vlastnosti vrstvy a zlepšiť záznamové vlastnosti média. Wentzkovicova nová štúdia ukazuje, že k tej istej udalosti dochádza tisíce kilometrov do vnútrozemia Zeme, pričom sa prenesie z nano do makroškály.

„Geodynamické simulácie navyše ukázali, že crossover spinov aktivuje konvekciu v pohybe plášťa Zeme a tektonickej dosky. Myslíme si teda, že tento kvantový jav tiež zvyšuje frekvenciu tektonických udalostí, ako sú zemetrasenia a sopečné erupcie,“ uviedol Wentzkovic.

Stále existuje veľa oblastí, ktorým výskumníci plášťa nerozumejú a je dôležité porozumieť rýchlosti zmeny stavu rotácie, fázovej stabilite atď. Wentzkovic naďalej používa seizmické rýchlosti na interpretáciu seizmických tomografických máp, ktoré boli predpovedané od začiatku Výpočty založené na funkčnej teórii hustoty. Vyvíja a aplikuje presnejšie techniky simulácie materiálu na predpovedanie seizmických rýchlostí a transportných vlastností, najmä v oblastiach bohatých na železo, roztavenie alebo pri teplotách blízkych topeniu.

„Zvlášť vzrušujúce je, že naše metódy simulácie materiálov sú použiteľné na silne korelované materiály – viacvrstvové, feroelektrické a materiály pri vysokých teplotách všeobecne,“ hovorí Wentzkovich. „Budeme schopní zlepšiť našu analýzu 3D tomografických snímok Zeme a dozvedieť sa viac o tom, ako drvivé tlaky v zemskom vnútri nepriamo ovplyvňujú predovšetkým náš život na povrchu Zeme.“

Referencie: Grace E. Shepherd, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reider G. „Seizmický prejav kríženia železnej rotácie vo ferroperikláze v dolnom plášti Zeme“ od Troness a Renaty M. Ventzkovich. Október 2021, prírodná komunikácia.
DOI: 10.1038/S41467-021-26115-Z