Senza un campo magnetico la vita sulla Terra sarebbe piuttosto scomoda:le particelle cosmiche attraverserebbero la nostra atmosfera in grandi quantità e danneggerebbero le cellule di tutti gli esseri viventi. I sistemi tecnici subirebbero frequenti malfunzionamenti e in alcuni casi i componenti elettronici potrebbero essere completamente distrutti.

Nonostante il suo enorme significato per la vita sul nostro pianeta, non è ancora del tutto noto cosa crei il campo magnetico terrestre. Ci sono varie teorie sulla sua origine, ma molti esperti li considerano insufficienti o imperfetti. Una scoperta fatta da scienziati di Würzburg potrebbe fornire un nuovo punto di vista esplicativo. I loro risultati sono stati pubblicati nell'attuale numero della rivista Comunicazioni sulla natura . Di conseguenza, la chiave dell'effetto potrebbe essere nascosta nella speciale struttura dell'elemento nickel.

Contraddizione tra teoria e realtà

"I modelli standard per il campo magnetico terrestre utilizzano valori per la conduttività elettrica e termica dei metalli all'interno del nucleo del nostro pianeta che non possono quadrare con la realtà, " Dice Giorgio Sangiovanni; è professore all'Istituto di Fisica Teorica e Astrofisica dell'Università di Würzburg. Insieme al dottorando Andreas Hausoel e al postdoc Michael Karolak, è responsabile della collaborazione internazionale che è stata pubblicata di recente. Tra i partecipanti Alessandro Toschi e Karsten Held di TU Wien, che sono partner di collaborazione a lungo termine di Giorgio Sangiovanni, e scienziati di Amburgo, Halle (Saale) e Ekaterinburg in Russia.

Al centro della Terra a una profondità di circa 6, 400 chilometri, c'è una temperatura di 6, 300 gradi Celsius e una pressione di circa 3,5 milioni di bar. Gli elementi predominanti, ferro e nichel, formare una sfera metallica solida in queste condizioni che costituisce il nucleo interno della Terra. Questo nucleo interno è circondato dal nucleo esterno, uno strato fluido composto principalmente da ferro e nichel. Il flusso di metallo liquido nel nucleo esterno può intensificare le correnti elettriche e creare il campo magnetico terrestre, almeno secondo la comune teoria della geodinamo. "Ma la teoria è alquanto contraddittoria, "dice Giorgio Sangiovanni.

Effetti di correlazione indotti dalla struttura della banda

"Questo perché a temperatura ambiente il ferro differisce significativamente dai metalli comuni come il rame o l'oro a causa della sua forte interazione efficace elettrone-elettrone. È fortemente correlato, " dichiara. Ma gli effetti della correlazione elettronica si attenuano considerevolmente alle temperature estreme prevalenti nel nucleo terrestre in modo che le teorie convenzionali siano applicabili. Queste teorie prevedono quindi una conduttività termica troppo elevata per il ferro che è in contrasto con la teoria della geodinamo.

Con il nichel le cose sono diverse. "Abbiamo scoperto che il nichel mostra un'anomalia distinta a temperature molto elevate, " spiega il fisico. "Anche il nichel è un metallo fortemente correlato. A differenza del ferro, questo non è dovuto alla sola interazione elettrone-elettrone, ma è principalmente causato dalla speciale struttura a fascia del nichel. Abbiamo battezzato l'effetto 'correlazione indotta dalla struttura a bande'." La struttura a bande di un solido è determinata solo dalla disposizione geometrica degli atomi nel reticolo e dal tipo di atomo.

Ferro e nichel nel nucleo terrestre

"A temperatura ambiente, gli atomi di ferro si organizzeranno in modo che gli atomi corrispondenti si trovino agli angoli di un cubo immaginario con un atomo centrale al centro del cubo, formando una cosiddetta struttura reticolare bcc, " aggiunge Andreas Hausoel. Ma con l'aumentare della temperatura e della pressione, questa struttura cambia:gli atomi si muovono insieme più strettamente e formano un reticolo esagonale, che i fisici chiamano reticolo hcp. Di conseguenza, il ferro perde la maggior parte delle sue proprietà correlate.

Ma non così con il nichel:"In questo metallo, gli atomi sono il più densamente impacchettati possibile nella struttura del cubo già allo stato normale. Mantengono questo layout anche quando la temperatura e la pressione diventano molto grandi, " Spiega Hausoel. L'insolito comportamento fisico del nichel in condizioni estreme può essere spiegato solo dall'interazione di questa stabilità geometrica e dalle correlazioni elettroniche originate da questa geometria. Nonostante il fatto che gli scienziati abbiano finora trascurato il nichel, sembra giocare un ruolo importante nel campo magnetico terrestre.

Suggerimento decisivo dalla geofisica

Le vicende all'interno del nucleo terrestre non sono il vero fulcro della ricerca presso i Dipartimenti di Fisica Teorica dello Stato Solido dell'Università di Würzburg. Piuttosto Sangiovanni, Hausoel ei loro colleghi si concentrano sulle proprietà degli elettroni fortemente correlati a basse temperature. Studiano gli effetti quantistici ei cosiddetti effetti multiparticellari che sono interessanti per la prossima generazione di dispositivi per l'elaborazione dei dati e l'accumulo di energia. Superconduttori e computer quantistici sono le parole chiave in questo contesto.

I dati degli esperimenti non vengono utilizzati in questo tipo di ricerca. "Prendiamo come input le proprietà note degli atomi, includere le intuizioni della meccanica quantistica e provare a calcolare il comportamento di grandi ammassi di atomi con questo, " dice Hausoel. Poiché tali calcoli sono molto complessi, gli scienziati devono fare affidamento su un supporto esterno come il supercomputer SUPERMUC presso il Leibniz Supercomputing Center (LRZ) a Garching.

E cosa c'entra il nucleo della Terra con questo? "Volevamo vedere quanto sono stabili le nuove proprietà magnetiche del nichel e abbiamo scoperto che sopravvivono anche a temperature molto elevate, " Dice Hausoel. Le discussioni con i geofisici e ulteriori studi sulle leghe ferro-nichel hanno dimostrato che queste scoperte potrebbero essere rilevanti per ciò che sta accadendo all'interno del nucleo terrestre.