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

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

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

En 2003, los científicos observaron en el laboratorio un nuevo tipo de cambio de fase en los minerales: un cambio de espín del hierro en la ferropericlasa, el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Un cambio de espín, o cruce de espín, puede ocurrir en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo, como presión o temperatura. En los años siguientes, 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 completamente seguro de por qué o dónde estaba sucediendo.

Las placas oceánicas frías y subductoras se ven como regiones de alta velocidad en (a) y (b), y la roca cálida del manto ascendente se ve como regiones de baja velocidad en (c). Las placas y las plumas 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 Columbia Renata Wentzcovitch publicó su primer artículo sobre ferropericlasa, proporcionando una teoría para el cruce de espín en este mineral. Su teoría sugería que había pasado a lo largo de mil kilómetros en el manto inferior. Desde entonces, Wentzcovitch, quien es profesor en el departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas, ciencias de la tierra y ambientales, y del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty en Universidad de Colombia, ha publicado 13 artículos con su grupo sobre este tema, estudiando las velocidades en todas las situaciones posibles del cruce de espín en ferropericlasa y bridgmanita y prediciendo las propiedades de estos minerales durante este cruce. En 2014, Wenzcovitch, cuya investigación se centra en estudios de mecánica cuántica computacional de materiales en condiciones extremas, especialmente materiales planetarios, predijo cómo este fenómeno de cambio de espín podría detectarse en imágenes tomográficas sísmicas, pero los sismólogos aún no logran verlo.

Trabajando con un equipo multidisciplinario de Columbia Engineering, el Universidad de oslo, el Instituto de Tecnología de Tokio e Intel Co., el último artículo de Wenzcovitch detalla cómo ahora han identificado la señal de cruce de espín de ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra. Esto se logró mediante el examen de regiones específicas del manto de la Tierra donde se espera que sea abundante la ferropericlasa. El estudio fue publicado el 8 de octubre de 2021 en Comunicaciones de la naturaleza.

«Este emocionante descubrimiento, que confirma mis predicciones anteriores, ilustra 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 Wentzcovitch.

La transición de giro se usa comúnmente en materiales como los que se usan para la grabación magnética. Si estira o comprime solo unas pocas capas de un material magnético de un grosor de nanómetros, puede cambiar las propiedades magnéticas de la capa y mejorar las propiedades de registro de los medios. El nuevo estudio de Wentzcovitch muestra que el mismo fenómeno ocurre a miles de kilómetros dentro de la Tierra, llevándola de la nanoescala a la macroescala.

“Además, las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín revitaliza la convección en el manto de la Tierra y el movimiento de las placas tectónicas. Así que creemos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de eventos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas ”, señala Wentzcovitch.

Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden y el cambio en el estado de giro es fundamental para comprender las velocidades, la estabilidad de fase, etc. Wentzcovitch continúa interpretando mapas tomográficos sísmicos utilizando las velocidades sísmicas predichas por desde el principio cálculos basados ​​en la teoría funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir las velocidades sísmicas y las propiedades de transporte, particularmente en regiones ricas en hierro, fundidas o cercanas a la fusión.

“Lo que es particularmente interesante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales altamente correlacionados: materiales multiferroicos, ferroeléctricos y de alta temperatura en general”, dice Wentzcovitch. «Podremos mejorar nuestros análisis de las imágenes tomográficas en 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las abrumadoras presiones del interior de la Tierra están afectando indirectamente nuestras vidas en la superficie de la Tierra».

Referencia: «Expresión sismológica del cruce de espín de hierro en ferropericlasa en el manto inferior de la Tierra» por Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes y Renata M. Wentzcovitch , 8 de octubre de 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z