Freddo, le placche oceaniche in subduzione sono viste come regioni ad alta velocità in (a) e (b), e la roccia calda del mantello in aumento è vista come regioni a bassa velocità in (c). Placche e pennacchi producono un segnale tomografico coerente nei modelli a onde S, ma il segnale scompare parzialmente nei modelli P-wave. Credito:Columbia Engineering
L'interno della Terra è un mistero, soprattutto a profondità maggiori (> 660 chilometri). I ricercatori hanno solo immagini tomografiche sismiche di questa regione e, per interpretarli, hanno bisogno di calcolare le velocità sismiche (acustiche) nei minerali ad alte pressioni e temperature. Con quei calcoli, possono creare mappe di velocità 3D e calcolare la mineralogia e la temperatura delle regioni osservate. Quando si verifica una transizione di fase in un minerale, come un cambiamento della struttura cristallina sotto pressione, gli scienziati osservano un cambiamento di velocità, solitamente una forte discontinuità di velocità sismica.
Nel 2003, gli scienziati hanno osservato in laboratorio un nuovo tipo di cambiamento di fase nei minerali:un cambiamento di spin nel ferro nel ferropericlasio, il secondo componente più abbondante del mantello inferiore della Terra. Un cambio di rotazione, o spin crossover, può accadere in minerali come ferropericlasio sotto uno stimolo esterno, come pressione o temperatura. Nei prossimi anni, gruppi sperimentali e teorici hanno confermato questo cambiamento di fase sia nel ferropericlasio che nella bridgmanite, la fase più abbondante del mantello inferiore. Ma nessuno era del tutto sicuro del perché o dove stesse accadendo.
Nel 2006, La professoressa di ingegneria della Columbia Renata Wentzcovitch ha pubblicato il suo primo articolo sul ferropericlasio, fornendo una teoria per il crossover di spin in questo minerale. La sua teoria suggeriva che fosse successo attraverso un migliaio di chilometri nel mantello inferiore. Da allora, Wentzcovitch, che è un professore nel dipartimento di fisica applicata e matematica applicata, scienze della terra e dell'ambiente, e Lamont-Doherty Earth Observatory presso la Columbia University, ha pubblicato 13 articoli con il suo gruppo su questo argomento, indagando le velocità in ogni possibile situazione del crossover di spin in ferropericlasio e bridgmanite, e prevedere le proprietà di questi minerali durante questo crossover. Nel 2014, Wenzcovitch, la cui ricerca si concentra sugli studi di meccanica quantistica computazionale di materiali in condizioni estreme, in particolare i materiali planetari hanno previsto come questo fenomeno di cambiamento di spin potrebbe essere rilevato nelle immagini tomografiche sismiche, ma i sismologi ancora non riuscivano a vederlo.
Lavorando con un team multidisciplinare della Columbia Engineering, l'Università di Oslo, il Istituto di tecnologia di Tokyo, e Intel Co., L'ultimo articolo di Wenzcovitch descrive in dettaglio come hanno ora identificato il segnale di crossover di spin del ferropericlasio, una transizione di fase quantistica nelle profondità del mantello inferiore della Terra. Ciò è stato ottenuto esaminando regioni specifiche del mantello terrestre in cui si prevede che il ferropericlasio sia abbondante. Lo studio è stato pubblicato l'8 ottobre 2021, in Comunicazioni sulla natura .
Illustrazione per accompagnare il documento Nature Communications, "Espressione sismologica del crossover di spin del ferro in ferropericlasio nel mantello inferiore della Terra.". Crediti:Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
"Questa scoperta emozionante, che conferma le mie precedenti previsioni, illustra l'importanza dei fisici dei materiali e dei geofisici che lavorano insieme per saperne di più su ciò che sta accadendo nelle profondità della Terra, " disse Wentzcovitch.
La transizione di spin è comunemente usata in materiali come quelli usati per la registrazione magnetica. Se allunghi o comprimi solo pochi strati di un materiale magnetico dello spessore di un nanometro, è possibile modificare le proprietà magnetiche del livello e migliorare le proprietà di registrazione del supporto. Il nuovo studio di Wentzcovitch mostra che lo stesso fenomeno si verifica per migliaia di chilometri all'interno della Terra, portandolo dalla nanoscala alla macroscala.
"Inoltre, simulazioni geodinamiche hanno dimostrato che lo spin crossover rinvigorisce la convezione nel mantello terrestre e il movimento delle placche tettoniche. Quindi pensiamo che questo fenomeno quantistico aumenti anche la frequenza di eventi tettonici come terremoti ed eruzioni vulcaniche, "Note di Wentzcovitch.
Ci sono ancora molte regioni del mantello che i ricercatori non capiscono e il cambiamento dello stato di rotazione è fondamentale per comprendere le velocità, stabilità di fase, ecc. Wentzcovitch sta continuando a interpretare mappe tomografiche sismiche utilizzando velocità sismiche previste da dall'inizio calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità. Sta inoltre sviluppando e applicando tecniche di simulazione dei materiali più accurate per prevedere le velocità sismiche e le proprietà di trasporto, soprattutto nelle regioni ricche di ferro, fuso, o a temperature prossime allo scioglimento.
"Ciò che è particolarmente interessante è che i nostri metodi di simulazione dei materiali sono applicabili a materiali fortemente correlati:multiferroici, ferroelettrici, e materiali ad alte temperature in genere, " Wentzcovitch dice. "Saremo in grado di migliorare le nostre analisi delle immagini tomografiche 3D della Terra e imparare di più su come le pressioni schiaccianti dell'interno della Terra stanno influenzando indirettamente le nostre vite sopra, sulla superficie terrestre».
