Transición de fase cuántica detectada a escala global en las profundidades de la Tierra

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

Un equipo multidisciplinario de físicos de materiales y geofísicos combina predicciones teóricas, simulaciones y tomografía sísmica para encontrar la transición de espín en el manto de la Tierra.

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 interpretarlas, necesitan calcular las velocidades sísmicas (acústicas) en minerales a altas presiones y temperaturas. Con estos cálculos, pueden crear mapas de velocidad en 3D y descubrir la mineralogía y la temperatura de las regiones observadas. Cuando ocurre una transición de fase en un mineral, como un cambio en la estructura cristalina bajo presión, los científicos observan un cambio en la velocidad, generalmente una discontinuidad marcada en la velocidad sísmica.

En 2003, los científicos observaron en un laboratorio un nuevo tipo de cambio de fase en los minerales: un cambio en el giro del hierro en la ferropericlasa, el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Un cambio de espín, o cruce de espín, puede ocurrir en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo como la presión o la temperatura. En los años siguientes, grupos experimentales y teóricos confirmaron este cambio de fase tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, la fase más abundante del manto inferior. Pero nadie estaba seguro de por qué o dónde estaba sucediendo esto.

Las placas subductoras oceánicas frías se ven como regiones de alta velocidad en (a) y (b), y las rocas calientes del manto ascendente se ven 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

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 esto sucedió 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 ambientales, y del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty en Universidad de Colombia, publicó 13 artículos con su grupo sobre este tema, investigando las velocidades en todas las situaciones posibles del cruce de espín en ferropericlasa y bridgmanita, y prediciendo 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 materiales planetarios, predijo 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 en Columbia Engineering, el Universidad de oslo, el Instituto de Tecnología de Tokio e Intel Co., el último artículo de Wenzcovitch detalla cómo ahora han identificado la señal de cruce de espín de ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra. Esto se logró observando regiones específicas del 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.

“Este emocionante descubrimiento, 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 pocas capas de un material magnético con 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, llevándolo de la escala nano a la macro.

“Además, las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín revitaliza la convección en el manto de la Tierra 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 ”, señala Wentzcovitch.

Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden, y cambiar el estado de rotación es fundamental para comprender las velocidades, las estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch continúa interpretando mapas tomográficos sísmicos utilizando las velocidades sísmicas predichas por desde el comienzo cálculos basados ​​en la teoría funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir las velocidades sísmicas y las propiedades de transporte, particularmente en regiones ricas en hierro fundido o a temperaturas cercanas a la fusión.

“Lo que es especialmente interesante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales altamente correlacionados: materiales multiferroicos, ferroeléctricos y de alta temperatura en general”, dice Wentzcovitch. «Podremos mejorar nuestro análisis de imágenes tomográficas en 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las abrumadoras presiones del interior de la Tierra están afectando indirectamente nuestras vidas en la superficie de la Tierra».

Referencia: «Expresión sismológica del cruce de espín de hierro en ferropericlasa en el manto inferior de la Tierra» por Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes y Renata M. Wentzcovitch, 8 de octubre 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z