Квантовый фазовый переход обнаружен в глобальном масштабе глубоко под землей

Междисциплинарная команда физиков-материаловедов и геофизиков объединяет теоретические предсказания, моделирование и сейсмическую томографию, чтобы найти передачу вращения в мантии Земли.

Недра Земли — загадка, особенно на больших глубинах (> 660 км). У исследователей есть только сейсмические изображения поперечного сечения этого региона, и для их интерпретации им необходимо рассчитать сейсмические (акустические) скорости в минералах при высоких давлениях и температурах. С помощью этих расчетов они могут создавать трехмерные карты скоростей и изучать минералы и температуру в наблюдаемых областях. Когда в минерале происходит фазовый переход, например изменение кристаллической структуры под действием напряжения, ученые наблюдают изменение скорости, обычно резкое изменение сейсмической скорости.

В 2003 году ученые в лаборатории наблюдали новый тип фазового перехода в минералах — изменение спина железа в ферропериклазе, втором по распространенности компоненте нижней мантии Земли. Изменение спина или спинового соединения может происходить в минералах, таких как ферропериклаз, под воздействием внешнего катализатора, такого как давление или температура. В течение следующих нескольких лет экспериментальные и теоретические группы подтвердили это фазовое изменение как в ферропериклазе, так и в бриджманите, наиболее распространенной фазе нижней мантии. Но никто не знал, почему и где это произошло.

Холодные и нижние океанические плиты показаны как области с высокими скоростями на (a) и (b), а теплые восходящие мантийные породы показаны как области с медленными скоростями на (c). Пластины и колонки производят когерентный томографический сигнал в моделях S-волн, но сигнал частично исчезает в моделях P-волн. Фото: Columbia Engineering

В 2006 году профессор инженерии Колумбийского университета Рената Веницкович опубликовала свою первую статью о ферропериклазе, в которой изложила теорию пересечения спинов в этом минерале. Ее теория предполагала, что это произойдет через тысячу километров в нижней мантии. С тех пор Венцковиц, профессор прикладной физики и факультета прикладной математики, наук о Земле и окружающей среде, и обсерватория Земли Ламонта-Доэрти в Колумбийский университет, вместе со своей группой опубликовала 13 научных работ по этому вопросу, исследуя скорости во всех возможных случаях спинового перехода в ферропериклазе и бриджманите и предсказывая свойства этих минералов во время этого соединения. В 2014 году Венцкович, чьи исследования сосредоточены на квантово-механических исследованиях материалов в экстремальных условиях, особенно планетарных материалов, предсказал, как это явление изменения спина может быть обнаружено на сейсмических томограммах, но сейсмологи все еще не могли его увидеть.

Работая с многопрофильной командой из Columbia Engineering, Университет ОслоПоследняя статья Венцковича показывает, как они теперь идентифицировали сигнал ферропериклаза, квантовый переход глубоко в нижней мантии Земли. Это было достигнуто путем изучения конкретных регионов мантии Земли, где, как ожидается, будет много ферропериклаза. Исследование было опубликовано 8 октября 2021 г. в Связи с природой.

«Это захватывающее открытие, которое подтверждает мои предыдущие предсказания, демонстрирует важность совместной работы физиков-материаловедов и геофизиков, чтобы узнать больше о том, что происходит глубоко под землей», — сказал Венцковиц.

Вращательный переход обычно используется в материалах, например, при магнитной записи. Если вы растянете или сожмете несколько слоев магнитного материала толщиной в несколько нанометров, вы можете изменить магнитные свойства слоя и улучшить свойства носителя записи. Новое исследование Венцковича показывает, что то же самое явление происходит на тысячах километров в недрах Земли, когда оно перемещается от наномасштаба к макроуровню.

Более того, геодинамическое моделирование показало, что спиновое соединение активирует конвекцию в мантии Земли и движение тектонических плит. Поэтому мы думаем, что это квантовое явление также увеличивает частоту тектонических событий, таких как землетрясения и извержения вулканов », — отмечает Венцковиц.

Есть еще много областей мантии, которые исследователи не понимают, и изменение спинового состояния имеет решающее значение для понимания скоростей, фазовой стабильности и т. Д. Венцковиц продолжает интерпретировать карты сейсмической томографии, используя предсказанные сейсмические скорости. С начала Расчеты на основе теории функционала плотности. Он также разрабатывает и применяет более точные методы моделирования материалов для прогнозирования сейсмических скоростей и транспортных свойств, особенно в регионах, богатых железом, расплавом или при температурах, близких к температуре плавления.

«Что особенно интересно, так это то, что наши методы моделирования материалов применимы к сильно взаимосвязанным материалам — полиферроэлектрикам и высокотемпературным материалам в целом», — говорит Венцкович. «Мы сможем улучшить наш анализ трехмерных томограмм Земли и узнать больше о том, как сокрушительное давление внутри Земли косвенно влияет на нашу жизнь над Землей».

Ссылка: «Сейсмическое выражение спинового соединения ферропериклаза в нижней мантии Земли» Грейс Э. Шеппард, Кристин Хаузер, Джон У. Хернлунд, Хуан Дж. Валенсия Кардона, Редар Г. Тронс и Рената М. Веницкович, 8 октября 2021 г. , Связи с природой.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z