Kall, subducerande oceaniska plattor ses som områden med hög hastighet i (a) och (b), och varmt stigande mantelberg ses som områden med långsam hastighet i (c). Plattor och plymer producerar en koherent tomografisk signal i S-vågsmodeller, men signalen försvinner delvis i P-vågsmodeller. Kredit:Columbia Engineering
Jordens inre är ett mysterium, speciellt på större djup (> 660 km). Forskare har bara seismiska tomografiska bilder av denna region och, att tolka dem, de behöver beräkna seismiska (akustiska) hastigheter i mineraler vid höga tryck och temperaturer. Med dessa beräkningar, de kan skapa 3D-hastighetskartor och räkna ut mineralogin och temperaturen i de observerade regionerna. När en fasövergång sker i ett mineral, såsom en förändring av kristallstrukturen under tryck, forskare observerar en hastighetsförändring, vanligtvis en skarp seismisk hastighetsdiskontinuitet.
År 2003, forskare observerade i ett labb en ny typ av fasförändring i mineraler - en spinförändring i järn i ferroperiklas, den näst vanligaste beståndsdelen av jordens nedre mantel. En snurrbyte, eller spin crossover, kan hända i mineraler som ferroperiklas under en extern stimulans, såsom tryck eller temperatur. Under de närmaste åren, experimentella och teoretiska grupper bekräftade denna fasförändring i både ferroperiklas och bridgmanit, den rikligaste fasen av den nedre manteln. Men ingen var helt säker på varför eller var detta hände.
Under 2006, Columbia Engineering Professor Renata Wentzcovitch publicerade sin första artikel om ferroperiklas, ger en teori för spin crossover i detta mineral. Hennes teori föreslog att det hände över tusen kilometer i den nedre manteln. Sedan dess, Wentzcovitch, som är professor vid institutionen för tillämpad fysik och tillämpad matematik, jord- och miljövetenskap, och Lamont-Doherty Earth Observatory vid Columbia University, har publicerat 13 artiklar med sin grupp om detta ämne, undersöka hastigheter i alla möjliga situationer av spinnövergången i ferroperiklas och bridgmanit, och förutsäga egenskaperna hos dessa mineraler under hela denna crossover. Under 2014, Wenzcovitch, vars forskning fokuserar på beräkningskvantmekaniska studier av material under extrema förhållanden, i synnerhet planetariska material förutspådde hur detta spinnförändringsfenomen kunde detekteras i seismiska tomografiska bilder, men seismologer kunde fortfarande inte se det.
Arbetar med ett tvärvetenskapligt team från Columbia Engineering, universitetet i Oslo, de Tokyo Institute of Technology, och Intel Co., Wenzcovitchs senaste papper beskriver hur de nu har identifierat ferropericlas spin crossover-signalen, en kvantfasövergång djupt inne i jordens nedre mantel. Detta uppnåddes genom att titta på specifika regioner i jordens mantel där ferroperiklas förväntas vara rikligt. Studien publicerades den 8 oktober, 2021, i Naturkommunikation .
Illustration som medföljer Nature Communications-tidningen, "Seismologiskt uttryck för järnspinnövergången i ferroperiklas i jordens nedre mantel." Kredit:Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
"Detta spännande fynd, vilket bekräftar mina tidigare förutsägelser, illustrerar vikten av att materialfysiker och geofysiker arbetar tillsammans för att lära sig mer om vad som händer djupt inne i jorden, sa Wentzcovitch.
Spinövergång används vanligtvis i material som de som används för magnetisk inspelning. Om du sträcker eller komprimerar bara några nanometertjocka lager av ett magnetiskt material, du kan ändra lagrets magnetiska egenskaper och förbättra mediuminspelningsegenskaperna. Wentzcovitchs nya studie visar att samma fenomen inträffar över tusentals kilometer i jordens inre, tar detta från nano- till makroskalan.
"Dessutom, geodynamiska simuleringar har visat att spinnövergången stärker konvektion i jordens mantel och tektoniska plattrörelser. Så vi tror att detta kvantfenomen också ökar frekvensen av tektoniska händelser som jordbävningar och vulkanutbrott, " noterar Wentzcovitch.
Det finns fortfarande många regioner i manteln som forskare inte förstår och förändring av spintillstånd är avgörande för att förstå hastigheter, fasstabilitet, etc. Wentzcovitch fortsätter att tolka seismiska tomografiska kartor med hjälp av seismiska hastigheter som förutsägs av ab initio beräkningar baserade på densitetsfunktionsteori. Hon utvecklar och tillämpar också mer exakta materialsimuleringstekniker för att förutsäga seismiska hastigheter och transportegenskaper, särskilt i områden som är rika på järn, smält, eller vid temperaturer nära smältning.
"Det som är särskilt spännande är att våra materialsimuleringsmetoder är tillämpliga på starkt korrelerade material - multiferroiska, ferroelektrik, och material vid höga temperaturer i allmänhet, " säger Wentzcovitch. "Vi kommer att kunna förbättra våra analyser av 3D-tomografiska bilder av jorden och lära oss mer om hur det krossande trycket i jordens inre indirekt påverkar våra liv ovanför, på jordens yta."
