Frío, Las placas oceánicas en subducción 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
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 interpretarlos, necesitan calcular velocidades sísmicas (acústicas) en minerales a altas presiones y temperaturas. Con esos cálculos, pueden crear mapas de velocidad en 3D y averiguar la mineralogía y la temperatura de las regiones observadas. Cuando ocurre una transición de fase en un mineral, como un cambio de estructura cristalina bajo presión, los científicos observan un cambio de velocidad, generalmente una discontinuidad aguda de la velocidad sísmica.
En 2003, Los científicos observaron en un laboratorio un tipo novedoso 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 de giro o cruce de giro, puede ocurrir en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo, como presión o temperatura. En los próximos años, grupos experimentales y teóricos confirmaron este cambio de fase tanto en ferropericlasa como en bridgmanita, la fase más abundante del manto inferior. Pero nadie estaba muy seguro de por qué o dónde estaba sucediendo esto.
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 sugirió que sucedió 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 del medio ambiente, y el Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia, ha publicado 13 artículos con su grupo sobre este tema, investigar las velocidades en todas las situaciones posibles de cruce de espín en ferropericlasa y bridgmanita, y predecir las propiedades de estos minerales a lo largo de este cruce. En 2014, Wenzcovitch, cuya investigación se centra en estudios de mecánica cuántica computacional de materiales en condiciones extremas, en particular, los materiales planetarios predijeron cómo este fenómeno de cambio de giro podría detectarse en imágenes tomográficas sísmicas, pero los sismólogos aún no pudieron verlo.
Trabajando con un equipo multidisciplinario de Columbia Engineering, la Universidad de Oslo, los Instituto de Tecnología de Tokio, e Intel Co., El último artículo de Wenzcovitch detalla cómo han identificado ahora la señal de cruce de espín de ferropericlasa, una transición de fase cuántica en lo profundo 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 Comunicaciones de la naturaleza .
Ilustración para acompañar el artículo de Nature Communications, "Expresión sismológica del cruce de espín de hierro en ferropericlasa en el manto inferior de la Tierra". Crédito:Nicoletta Barolini / Columbia Engineering
"Este hallazgo emocionante, 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 capas de un material magnético de un grosor de nanómetros, puede cambiar las propiedades magnéticas de la capa y mejorar las propiedades de grabación del medio. El nuevo estudio de Wentzcovitch muestra que el mismo fenómeno ocurre a lo largo de miles de kilómetros en el interior de la Tierra, llevando esto de la nano a la macroescala.
"Es más, Las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín vigoriza la convección en el manto terrestre 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, "Notas Wentzcovitch.
Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden y el cambio de estado de giro es fundamental para comprender las velocidades. estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch continúa interpretando mapas tomográficos sísmicos utilizando velocidades sísmicas predichas por ab initio cálculos basados en la teoría funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir velocidades sísmicas y propiedades de transporte. particularmente en regiones ricas en hierro, fundido, oa temperaturas cercanas a la fusión.
"Lo que es especialmente interesante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales fuertemente correlacionados:multiferroicos, ferroeléctricos, y materiales a altas temperaturas en general, ", Dice Wentzcovitch." Podremos mejorar nuestros análisis de imágenes tomográficas en 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las presiones aplastantes del interior de la Tierra están afectando indirectamente nuestras vidas en la superficie, en la superficie de la Tierra ".
