Utan ett magnetfält skulle livet på jorden vara ganska obehagligt:​​Kosmiska partiklar skulle passera genom vår atmosfär i stora mängder och skada cellerna hos alla levande varelser. Tekniska system skulle ofta fungera fel och elektroniska komponenter kan förstöras helt i vissa fall.

Trots dess enorma betydelse för livet på vår planet, det är fortfarande inte helt känt vad som skapar jordens magnetfält. Det finns olika teorier om dess ursprung, men många experter anser att de är otillräckliga eller bristfälliga. En upptäckt gjord av forskare från Würzburg kan ge en ny förklaringsvinkel. Deras resultat publicerades i det aktuella numret av tidskriften Naturkommunikation . Följaktligen, nyckeln till effekten kan döljas i den speciella strukturen hos elementet nickel.

Motsättningar mellan teori och verklighet

"Standardmodellerna för jordens magnetfält använder värden för den elektriska och värmeledningsförmågan hos metallerna i vår planets kärna som inte kan motsvara verkligheten, "Säger Giorgio Sangiovanni; han är professor vid Institutet för teoretisk fysik och astrofysik vid universitetet i Würzburg. Tillsammans med doktoranden Andreas Hausoel och postdoc Michael Karolak, han ansvarar för det internationella samarbete som publicerades nyligen. Bland deltagarna finns Alessandro Toschi och Karsten Held från TU Wien, som är långsiktiga samarbetspartners för Giorgio Sangiovanni, och forskare från Hamburg, Halle (Saale) och Jekaterinburg i Ryssland.

I jordens centrum på ett djup av cirka 6, 400 km, det finns en temperatur på 6, 300 grader Celsius och ett tryck på cirka 3,5 miljoner bar. De dominerande elementen, järn och nickel, bilda en solid metallkula under dessa förhållanden som utgör jordens inre kärna. Denna inre kärna är omgiven av den yttre kärnan, ett vätskeskikt bestående mestadels av järn och nickel. Flytande av flytande metall i den yttre kärnan kan intensifiera elektriska strömmar och skapa jordens magnetfält - åtminstone enligt den vanliga geodynamoteorin. "Men teorin är något motsägelsefull, "Säger Giorgio Sangiovanni.

Bandstruktur inducerade korrelationseffekter

"Detta beror på att vid rumstemperatur skiljer sig järn betydligt från vanliga metaller som koppar eller guld på grund av dess starka effektiva elektron-elektron-interaktion. Det är starkt korrelerat, "förklarar han. Men effekterna av elektronkorrelation dämpas avsevärt vid de extrema temperaturer som råder i jordens kärna så att konventionella teorier är tillämpliga. Dessa teorier förutspår då en alldeles för hög värmeledningsförmåga för järn som strider mot geodynamoteorin.

Med nickel är saker annorlunda. "Vi fann att nickel uppvisade en tydlig avvikelse vid mycket höga temperaturer, "förklarar fysikern." Nickel är också en starkt korrelerad metall. Till skillnad från järn, detta beror inte på elektron-elektron-interaktionen ensam, men orsakas främst av nickelns speciella bandstruktur. Vi döpte effekten "band-struktur inducerad korrelation". "Bandstrukturen för ett fast ämne bestäms endast av den geometriska utformningen av atomerna i gallret och av atomtypen.

Järn och nickel i jordens kärna

"Vid rumstemperatur, järnatomer kommer att ordna på ett sätt så att motsvarande atomer är belägna i hörnen av en tänkt kub med en central atom i mitten av kuben, bildar en så kallad bcc-gitterstruktur, "Andreas Hausoel tillägger. Men när temperaturen och trycket ökar, denna struktur förändras:Atomerna rör sig närmare och bildar ett sexkantigt galler, som fysiker kallar ett hcp -gitter. Som ett resultat, järn förlorar de flesta av sina korrelerade egenskaper.

Men inte så med nickel:"I denna metall, atomerna är så tätt packade som möjligt i kubstrukturen redan i normaltillstånd. De behåller denna layout även när temperatur och tryck blir mycket stora, "Förklarar Hausoel. Det ovanliga fysiska beteendet hos nickel under extrema förhållanden kan bara förklaras av interaktionen mellan denna geometriska stabilitet och elektronkorrelationerna som härrör från denna geometri. Trots att forskare har försummat nickel hittills, det verkar spela en stor roll i jordens magnetfält.

Avgörande ledtråd från geofysik

Det som händer i jordens kärna är inte det egentliga fokuset för forskning vid institutionerna för teoretisk fast tillståndsfysik vid universitetet i Würzburg. Snarare Sangiovanni, Hausoel och deras kollegor koncentrerar sig på egenskaperna hos starkt korrelerade elektroner vid låga temperaturer. De studerar kvanteffekter och så kallade flerpartikeleffekter som är intressanta för nästa generation av databehandlings- och energilagringsenheter. Superledare och kvantdatorer är nyckelorden i detta sammanhang.

Data från experiment används inte i denna typ av forskning. "Vi tar de kända egenskaperna hos atomer som input, inkludera insikter från kvantmekanik och försök att beräkna beteendet hos stora grupper av atomer med detta, "Säger Hausoel. Eftersom sådana beräkningar är mycket komplexa, forskarna måste förlita sig på externt stöd som SUPERMUC superdator vid Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i Garching.

Och vad har jordens kärna att göra med detta? "Vi ville se hur stabila de nya magnetiska egenskaperna hos nickel är och fann att de överlevde även mycket höga temperaturer, "Säger Hausoel. Diskussioner med geofysiker och ytterligare studier av järn-nickellegeringar har visat att dessa upptäckter kan vara relevanta för vad som händer inne i jordens kärna.