Kvantu fāzes pāreja tika atklāta globālā mērogā dziļi Zemes iekšienē

Starpdisciplināra materiālu fiziķu un ģeofiziķu komanda apvieno teorētiskas prognozes, simulācijas un seismisko tomogrāfiju, lai atrastu griešanās pārnesi Zemes apvalkā.

Zemes iekšpuse ir noslēpums, it īpaši vislielākajos dziļumos (> 660 km). Pētniekiem ir tikai šī reģiona seismiskās tomogrammas, un, lai tās interpretētu, viņiem jāaprēķina seismiskie (akustiskie) ātrumi minerālos pie augsta spiediena un temperatūras. Izmantojot šos aprēķinus, viņi var izveidot 3D ātruma kartes un uzzināt novēroto zonu minerālus un temperatūru. Kad minerālā notiek fāzu pāreja, piemēram, kristāla struktūra mainās zem spiediena, zinātnieki novēro ātruma izmaiņas, parasti strauju seismiska ātruma pārtraukumu.

2003. gadā zinātnieki laboratorijā novēroja jauna veida minerālu fāžu izmaiņas – dzelzs griešanās izmaiņas ferroperiklāzē, kas ir otra visizplatītākā Zemes apakšējās apvalka sastāvdaļa. Izgriešanās vai griešanās savienojuma izmaiņas var notikt minerālos, piemēram, ferroperiklāzē zem ārēja katalizatora, piemēram, spiedienā vai temperatūrā. Dažu nākamo gadu laikā eksperimentālās un teorētiskās grupas apstiprināja šīs fāzes izmaiņas gan ferroperiklāzē, gan bridgmanītā, kas ir visizplatītākā apakšējās apvalka fāze. Bet neviens nebija īsti pārliecināts, kāpēc un kur tas notika.

Aukstās un zemākās okeāna plāksnes (a) un (b) tiek uzskatītas par ātra ātruma reģioniem, un siltās augšstilba apvalka ieži (c) ir redzami kā lēna ātruma reģioni. Plāksnes un kolonnas rada saskaņotu tomogrāfisko signālu S-viļņu modeļos, bet signāls daļēji pazūd P-viļņu modeļos. Kredīts: Columbia Engineering

2006. gadā Kolumbijas Universitātes inženierzinātņu profesore Renāta Venickoviča publicēja savu pirmo darbu par ferroperiklāzi, sniedzot griešanās krustošanās teoriju šajā minerālā. Viņas teorija liecināja, ka tas notiks tūkstoš kilometru garumā apakšējā apvalkā. Kopš tā laika Wentzkowitz, lietišķās fizikas profesors un Lietišķās matemātikas, Zemes un vides zinātņu katedra, un Lamont-Doherty Zemes observatorija plkst. Kolumbijas Universitāte, kopā ar savu grupu publicēja 13 pētījumus par šo tēmu, pētot ātrumu visos iespējamos feroperiklāzes un bridgmanīta centrifūgas savienojuma gadījumos un paredzot šo minerālu īpašības šī krustojuma laikā. 2014. gadā Vencovičs, kura pētījumi koncentrējas uz materiālu kvantu mehāniskiem pētījumiem ekstremālos apstākļos, jo īpaši uz planētu materiāliem, paredzēja, kā šī griešanās mainīgā parādība varētu tikt konstatēta seismiskajās tomogrammās, taču seismologi to joprojām nevarēja redzēt.

Strādājot ar daudznozaru komandu no Columbia Engineering, Oslo universitāteLtd., Tokijas Tehnoloģiju institūts un Intel Corporation, Wenzcovitch jaunākais pētījums, kurā parādīts, kā viņi tagad ir identificējuši ferociklisko savienojuma signālu – kvantu pāreju dziļi Zemes apakšējā apvalkā. Tas tika panākts, aplūkojot konkrētus Zemes apvalka reģionus, kur paredzams, ka ferroperiklāzes būs daudz. Pētījums tika publicēts 2021. gada 8. oktobrī, gadā Dabas savienojumi.

“Šis aizraujošais atklājums, kas apstiprina manas iepriekšējās prognozes, parāda, cik svarīgi ir materiālfiziķiem un ģeofiziķiem sadarboties, lai uzzinātu vairāk par to, kas notiek dziļi Zemē,” sacīja Ventzkovičs.

Rotācijas pāreju parasti izmanto tādos materiālos kā magnētiskajā ierakstā. Ja izstiepjat vai saspiežat dažus nanometrus biezus magnētiskā materiāla slāņus, varat mainīt slāņa magnētiskās īpašības un uzlabot nesēja ieraksta īpašības. Wentzcovitch jaunais pētījums rāda, ka tā pati parādība notiek tūkstošiem kilometru Zemes iekšienē, pārejot no nanomēroga uz makro mērogu.

Turklāt ģeodinamiskās simulācijas parādīja, ka griešanās savienojums aktivizē Zemes apvalka konvekciju un tektonisko plākšņu kustību. Tāpēc mēs domājam, ka šī kvantu parādība palielina arī tādu tektonisku notikumu biežumu kā zemestrīces un vulkānu izvirdumi, ”atzīmē Ventzkovics.

Joprojām ir daudz mantijas reģionu, kurus pētnieki nesaprot, un griešanās stāvokļa maiņa ir būtiska, lai izprastu ātrumu, fāzes stabilitāti utt. Wentzkowitz turpina interpretēt seismisko tomogrāfijas kartes, izmantojot paredzamos seismisko ātrumu No sākuma Aprēķini, kuru pamatā ir blīvuma funkcionālā teorija. Tā arī izstrādā un piemēro precīzākas materiālu simulācijas metodes, lai prognozētu seismisko ātrumu un transporta īpašības, jo īpaši reģionos, kas bagāti ar dzelzi, izkausēti vai gandrīz kušanas temperatūrā.

“Īpaši aizraujoši ir tas, ka mūsu materiālu simulācijas metodes ir piemērojamas cieši savstarpēji saistītiem materiāliem – feroelektriķiem un materiāliem ar augstu temperatūru kopumā,” saka Ventzkovičs. “Mēs varēsim uzlabot mūsu Zemes 3D tomogrammu analīzi un uzzināt vairāk par to, kā Zemes iekšpuses saspiešanas spiediens netieši ietekmē mūsu dzīvi virs Zemes.”

Atsauce: “Ferroperiklāzes griešanās krustojuma seismiska izpausme Zemes apakšējā apvalkā”, Greisa E. Šeparda, Kristīna Hausere, Džons V. Hernlunds, Huans J. Valensija Kardona, Redars G. Trons un Renāta M. Venickoviča, 2021. gada 8. oktobris , Dabas savienojumi.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z