Sin un campo magnético, la vida en la Tierra sería bastante incómoda:las partículas cósmicas atravesarían nuestra atmósfera en grandes cantidades y dañarían las células de todos los seres vivos. Los sistemas técnicos funcionarían mal con frecuencia y los componentes electrónicos podrían destruirse por completo en algunos casos.

A pesar de su enorme importancia para la vida en nuestro planeta, todavía no se sabe completamente qué crea el campo magnético de la Tierra. Existen varias teorías sobre su origen, pero muchos expertos los consideran insuficientes o defectuosos. Un descubrimiento realizado por científicos de Würzburg podría proporcionar un nuevo ángulo explicativo. Sus hallazgos fueron publicados en la edición actual de la revista. Comunicaciones de la naturaleza . Respectivamente, la clave del efecto podría ocultarse en la estructura especial del elemento níquel.

Contradicción entre teoría y realidad

"Los modelos estándar para el campo magnético de la Tierra utilizan valores para la conductividad eléctrica y térmica de los metales dentro del núcleo de nuestro planeta que no pueden cuadrar con la realidad, "Dice Giorgio Sangiovanni; es profesor en el Instituto de Física Teórica y Astrofísica de la Universidad de Würzburg. Junto con el estudiante de doctorado Andreas Hausoel y el postdoctorado Michael Karolak, está a cargo de la colaboración internacional que se publicó recientemente. Entre los participantes se encuentran Alessandro Toschi y Karsten Held de TU Wien, que son socios de cooperación a largo plazo de Giorgio Sangiovanni, y científicos de Hamburgo, Halle (Saale) y Ekaterimburgo en Rusia.

En el centro de la Tierra a una profundidad de aproximadamente 6, 400 km, hay una temperatura de 6, 300 grados centígrados y una presión de unos 3,5 millones de bares. Los elementos predominantes, hierro y níquel, Forman una bola de metal sólido en estas condiciones que constituye el núcleo interno de la Tierra. Este núcleo interno está rodeado por el núcleo externo, una capa fluida compuesta principalmente de hierro y níquel. El flujo de metal líquido en el núcleo externo puede intensificar las corrientes eléctricas y crear el campo magnético de la Tierra, al menos de acuerdo con la teoría común del geodinamo. "Pero la teoría es algo contradictoria, "Dice Giorgio Sangiovanni.

Efectos de correlación inducidos por la estructura de bandas

"Esto se debe a que, a temperatura ambiente, el hierro difiere significativamente de los metales comunes como el cobre o el oro debido a su fuerte interacción eficaz electrón-electrón. Está fuertemente correlacionado, ", declara. Pero los efectos de la correlación electrónica se atenúan considerablemente a las temperaturas extremas que prevalecen en el núcleo de la Tierra, por lo que las teorías convencionales son aplicables. Estas teorías predicen una conductividad térmica demasiado alta para el hierro, lo que contradice la teoría del geodinamo.

Con el níquel las cosas son diferentes. "Descubrimos que el níquel presenta una anomalía distinta a temperaturas muy altas, "explica el físico." El níquel también es un metal fuertemente correlacionado. A diferencia del hierro, esto no se debe únicamente a la interacción electrón-electrón, pero es causado principalmente por la estructura de banda especial del níquel. Bautizamos el efecto 'correlación inducida por la estructura de bandas'. "La estructura de bandas de un sólido sólo está determinada por la disposición geométrica de los átomos en la red y por el tipo de átomo.

Hierro y níquel en el núcleo de la Tierra.

"A temperatura ambiente, Los átomos de hierro se organizarán de manera que los átomos correspondientes estén ubicados en las esquinas de un cubo imaginario con un átomo central en el centro del cubo, formando una estructura de celosía llamada bcc, ", Añade Andreas Hausoel. Pero a medida que aumentan la temperatura y la presión, esta estructura cambia:los átomos se mueven juntos más cerca y forman una red hexagonal, a lo que los físicos se refieren como una red hcp. Como resultado, el hierro pierde la mayoría de sus propiedades correlacionadas.

Pero no así con el níquel:"En este metal, los átomos están tan densamente empaquetados como sea posible en la estructura del cubo ya en el estado normal. Mantienen este diseño incluso cuando la temperatura y la presión aumentan mucho, "Hausoel explica. El comportamiento físico inusual del níquel en condiciones extremas sólo puede explicarse por la interacción de esta estabilidad geométrica y las correlaciones electrónicas que se originan en esta geometría. A pesar de que los científicos han descuidado el níquel hasta ahora, parece jugar un papel importante en el campo magnético de la Tierra.

Sugerencia decisiva de la geofísica

Los sucesos dentro del núcleo de la Tierra no son el foco real de la investigación en los Departamentos de Física Teórica del Estado Sólido de la Universidad de Würzburg. Más bien Sangiovanni, Hausoel y sus colegas se concentran en las propiedades de los electrones fuertemente correlacionados a bajas temperaturas. Estudian los efectos cuánticos y los llamados efectos de múltiples partículas que son interesantes para la próxima generación de dispositivos de procesamiento de datos y almacenamiento de energía. Los superconductores y las computadoras cuánticas son las palabras clave en este contexto.

Los datos de experimentos no se utilizan en este tipo de investigación. "Tomamos las propiedades conocidas de los átomos como entrada, incluir los conocimientos de la mecánica cuántica y tratar de calcular el comportamiento de grandes grupos de átomos con esto, ", Dice Hausoel. Debido a que estos cálculos son muy complejos, los científicos tienen que depender de apoyo externo, como la supercomputadora SUPERMUC en el Centro de Supercomputación Leibniz (LRZ) en Garching.

¿Y qué tiene que ver el núcleo de la Tierra con esto? "Queríamos ver qué tan estables son las nuevas propiedades magnéticas del níquel y descubrimos que sobrevivían incluso a temperaturas muy altas, "Dice Hausoel. Las discusiones con geofísicos y estudios adicionales de aleaciones de hierro-níquel han demostrado que estos descubrimientos podrían ser relevantes para lo que está sucediendo dentro del núcleo de la Tierra.