Transição de fase quântica detectada em escala global nas profundezas da Terra

Ilustração que acompanha o artigo da Nature Communications, “Expressão sísmica da junção de spin de ferro em uma ferropericlase no manto inferior da Terra.” Crédito: Nicoletta Parolini / Columbia Engineering

Uma equipe interdisciplinar de físicos e geofísicos de materiais combina previsões teóricas, simulações e tomografia sísmica para encontrar a transmissão de spin no manto da Terra.

O interior da Terra é um mistério, especialmente nas maiores profundidades (> 660 km). Os pesquisadores possuem apenas imagens sísmicas transversais dessa região e, para interpretá-las, precisam calcular as velocidades sísmicas (acústicas) em minerais em altas pressões e temperaturas. Com esses cálculos, eles podem criar mapas de velocidade 3D e aprender os minerais e a temperatura das áreas observadas. Quando ocorre uma transição de fase em um mineral, como uma mudança na estrutura do cristal sob estresse, os cientistas observam uma mudança na velocidade, geralmente uma quebra brusca na velocidade sísmica.

Em 2003, cientistas em um laboratório observaram um novo tipo de mudança de fase nos minerais – uma mudança de spin no ferro na ferropericlase, o segundo componente mais abundante do manto inferior da Terra. Uma mudança no spin, ou junção de spin, pode ocorrer em minerais como a ferropericlase sob um catalisador externo, como pressão ou temperatura. Nos anos seguintes, grupos experimentais e teóricos confirmaram essa mudança de fase tanto na ferropericlase quanto na bridgmanita, a fase mais abundante do manto inferior. Mas ninguém sabia ao certo por que ou onde isso aconteceu.

As placas oceânicas frias e inferiores são vistas como regiões de velocidade rápida em (a) e (b), e as rochas do manto de ressurgência quentes são vistas como regiões de baixa velocidade em (c). As placas e colunas produzem um sinal tomográfico coerente em modelos de onda S, mas o sinal desaparece parcialmente em modelos de onda P. Crédito: Columbia Engineering

Em 2006, a professora de engenharia da Universidade de Columbia, Renata Wenitzkowicz, publicou seu primeiro artigo sobre ferropericlase, fornecendo uma teoria de interseção de spin neste mineral. Sua teoria sugeria que isso aconteceria ao longo de mil quilômetros no manto inferior. Desde então, Wentzkowitz, professor de física aplicada e do Departamento de Matemática Aplicada, Ciências da Terra e Ambientais, e Observatório da Terra Lamont-Doherty em Universidade Columbia, publicou 13 trabalhos de pesquisa com seu grupo sobre o assunto, investigando as velocidades em todos os casos possíveis de junção de spin em ferropericlase e bridgmanita, e prevendo as propriedades desses minerais durante esta junção. Em 2014, Wenzcovitch, cuja pesquisa se concentra em estudos de mecânica quântica de materiais em condições extremas, particularmente materiais planetários, previu como esse fenômeno de mudança de spin poderia ser detectado em tomogramas sísmicos, mas os sismólogos ainda não conseguiam ver.

Trabalhando com uma equipe multidisciplinar da Columbia Engineering, Universidade de OsloLtd., Instituto de Tecnologia de Tóquio e Intel Corporation, o último artigo de pesquisa de Wenzcovitch mostrando como eles identificaram o sinal de junção ferrocíclica, uma transição quântica nas profundezas do manto inferior da Terra. Isso foi conseguido observando-se regiões específicas do manto terrestre onde se espera que o ferropericlase seja abundante. O estudo foi publicado em 8 de outubro de 2021, em Nature Connections.

“Esta descoberta emocionante, que confirma minhas previsões anteriores, demonstra a importância dos físicos de materiais e geofísicos trabalhando juntos para aprender mais sobre o que está acontecendo nas profundezas da Terra”, disse Wentzkowitz.

A transição rotacional é comumente usada em materiais como os usados ​​na gravação magnética. Se você esticar ou comprimir algumas camadas de nanômetros de espessura de um material magnético, poderá alterar as propriedades magnéticas da camada e melhorar as propriedades do meio de gravação. O novo estudo de Wentzcovitch mostra que o mesmo fenômeno ocorre ao longo de milhares de quilômetros no interior da Terra, à medida que se move da nanoescala para a escala macro.

Além disso, simulações geodinâmicas mostraram que a junção de spin ativa a convecção no manto terrestre e o movimento das placas tectônicas. Portanto, pensamos que esse fenômeno quântico também aumenta a frequência de eventos tectônicos, como terremotos e erupções vulcânicas ”, observa Wentzkowitz.

Ainda existem muitas regiões do manto que os pesquisadores não entendem, e alterar o estado de spin é fundamental para compreender as velocidades, estabilidade de fase, etc. Wentzkowitz continua a interpretar mapas de tomografia sísmica usando velocidades sísmicas previstas Do começo Cálculos baseados na teoria do funcional da densidade. Ele também desenvolve e aplica técnicas de simulação de material mais precisas para prever velocidades sísmicas e propriedades de transporte, particularmente em regiões ricas em ferro, fundido ou em temperaturas próximas de fusão.

“O que é particularmente interessante é que nossos métodos de simulação de materiais são aplicáveis ​​a materiais fortemente interconectados – ferroelétricos e materiais de alta temperatura em geral”, disse Wentzkowicz. “Seremos capazes de melhorar nossas análises de tomogramas 3D da Terra e aprender mais sobre como as pressões esmagadoras do interior da Terra afetam indiretamente nossas vidas acima da Terra.”

Referência: “Expressão sísmica da junção de rotação da ferropericlase no manto inferior da Terra” por Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons e Renata M. Wenitzkowicz, 8 de outubro de 2021 , Nature Connections.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z