Transición de fase cuántica detectada a escala global en las profundidades de la Tierra

Ilustración que acompaña al artículo de Nature Communications, “Expresión sísmica de la unión de espín de hierro en una ferropericlasa en el manto inferior de la Tierra”. Crédito: Nicoletta Parolini / Columbia Engineering

Un equipo interdisciplinario de físicos y geofísicos de materiales combina predicciones teóricas, simulaciones y tomografía sísmica para encontrar la transmisión de espín en el manto de la Tierra.

El interior de la Tierra es un misterio, especialmente a las mayores profundidades (> 660 km). Los investigadores solo tienen tomogramas sísmicos de esta región y, para interpretarlos, necesitan calcular las velocidades sísmicas (acústicas) en minerales a altas presiones y temperaturas. Con estos cálculos, pueden crear mapas de velocidad en 3D y aprender los minerales y la temperatura de las áreas observadas. Cuando ocurre una transición de fase en un mineral, como un cambio de estructura cristalina bajo presión, los científicos observan un cambio en la velocidad, generalmente una ruptura brusca en la velocidad sísmica.

En 2003, los científicos en un laboratorio observaron un nuevo tipo de cambio de fase en los minerales: un cambio de espín en el hierro en la ferropericlasa, el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Un cambio en el espín, o unión de espín, puede ocurrir en minerales como ferropericlasa bajo un catalizador externo, como presión o temperatura. Durante los siguientes años, grupos experimentales y teóricos confirmaron este cambio de fase tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, la fase más abundante del manto inferior. Pero nadie estaba muy seguro de por qué o dónde sucedió esto.

Las placas oceánicas frías y bajas se ven como regiones de velocidad rápida en (a) y (b), y las rocas del manto de afloramiento cálido se ven como regiones de velocidad lenta en (c). Las placas y columnas producen una señal tomográfica coherente en los modelos de ondas S, pero la señal desaparece parcialmente en los modelos de ondas P. Crédito: Columbia Engineering

En 2006, la profesora de ingeniería de la Universidad de Columbia Renata Wenitzkowicz publicó su primer artículo sobre ferropericlasa, proporcionando una teoría de la intersección de espín en este mineral. Su teoría sugirió que esto sucedería a lo largo de mil kilómetros en el manto inferior. Desde entonces, Wentzkowitz, profesor de física aplicada y del Departamento de Matemáticas Aplicadas, Ciencias de la Tierra y Ambientales, y del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty en Universidad de Colombia, publicó 13 artículos de investigación con su grupo sobre el tema, investigando las velocidades en todos los casos posibles de la unión de espín en ferropericlasa y bridgmanita, y prediciendo las propiedades de estos minerales durante esta unión. En 2014, Wenzcovitch, cuya investigación se centra en estudios de mecánica cuántica de materiales en condiciones extremas, particularmente materiales planetarios, predijo cómo este fenómeno de cambio de espín podría detectarse en tomogramas sísmicos, pero los sismólogos aún no pudieron verlo.

Trabajando con un equipo multidisciplinario de Columbia Engineering, Universidad de osloLtd., el Instituto de Tecnología de Tokio e Intel Corporation, el último trabajo de investigación de Wenzcovitch que muestra cómo han identificado ahora la señal de unión ferrocíclica, una transición cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra. Esto se logró al observar regiones específicas en el manto de la Tierra donde se espera que la ferropericlasa sea abundante. El estudio fue publicado el 8 de octubre de 2021 en Conexiones con la naturaleza.

“Este emocionante descubrimiento, que confirma mis predicciones anteriores, demuestra la importancia de que los físicos de materiales y los geofísicos trabajen juntos para aprender más sobre lo que está sucediendo en las profundidades de la Tierra”, dijo Wentzkowitz.

La transición rotacional se usa comúnmente en materiales como los que se usan en la grabación magnética. Si estira o comprime algunas capas de un material magnético de un grosor de nanómetros, puede cambiar las propiedades magnéticas de la capa y mejorar las propiedades del medio de grabación. El nuevo estudio de Wentzcovitch muestra que el mismo fenómeno ocurre a lo largo de miles de kilómetros en el interior de la Tierra, a medida que pasa de la nanoescala a la macroescala.

Además, las simulaciones geodinámicas mostraron que la unión de espín activa la convección en el manto de la Tierra y el movimiento de las placas tectónicas. Entonces pensamos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de eventos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas ”, señala Wentzkowitz.

Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden, y cambiar el estado de giro es fundamental para comprender las velocidades, la estabilidad de fase, etc. Wentzkowitz continúa interpretando mapas de tomografía sísmica utilizando velocidades sísmicas pronosticadas Desde el principio Cálculos basados ​​en la teoría funcional de la densidad. También desarrolla y aplica técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir las velocidades sísmicas y las propiedades de transporte, particularmente en regiones ricas en hierro, fundido o a temperaturas cercanas al punto de fusión.

“Lo que es particularmente emocionante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales fuertemente interconectados: ferroeléctricos y materiales de alta temperatura en general”, dice Wentzkowicz. “Podremos mejorar nuestros análisis de tomogramas 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las presiones aplastantes del interior de la Tierra afectan indirectamente nuestras vidas sobre la Tierra”.

Referencia: “Expresión sísmica de la unión de espín ferropericlasa en el manto inferior de la Tierra” por Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons y Renata M. Wenitzkowicz, 8 de octubre de 2021 , Conexiones con la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z