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 velocidades sísmicas (acústicas) en minerales a altas presiones y temperaturas. Con estos cálculos, pueden crear mapas de velocidad en 3D y determinar 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 fuerte discontinuidad en la velocidad sísmica.

En 2003, los científicos observaron en el 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 ferropericlasa bajo un estímulo externo, como presión o 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 sabía realmente por qué o dónde estaba sucediendo esto.

Las placas oceánicas frías y en subducción se ven como regiones de alta velocidad en (a) y (b), y la roca cálida del manto ascendente se ve 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 había sucedido a más de 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 en el Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty en Universidad de Colombia, publicó 13 artículos con su grupo sobre este tema, estudiando las velocidades en todas las situaciones posibles de 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, particularmente 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 de 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 para la ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra. Esto se hizo examinando 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 Comunicación 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 dentro de la Tierra, pasando de la nanoescala a la macroescala.

“Además, las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín estimula la convección en el manto de la Tierra y el movimiento de las placas tectónicas. Por lo tanto, creemos 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 el cambio en el estado de giro es esencial para comprender las velocidades, las estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch continúa interpretando mapas tomográficos sísmicos utilizando velocidades sísmicas predichas por Desde el principio cálculos basados ​​en la teoría funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir velocidades sísmicas y propiedades de transporte, especialmente en regiones ricas en hierro, fundido o temperaturas cercanas al punto de fusión.

“Lo que es particularmente emocionante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales fuertemente correlacionados: multiferroicos, ferroeléctricos y materiales de alta temperatura en general”, dice Wentzcovitch. “Podremos mejorar nuestros análisis de imágenes tomográficas en 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las abrumadoras presiones desde el interior de la Tierra afectan indirectamente nuestras vidas en la superficie de la Tierra. «

Referencia: “Expresión sismológica del cruce de espín del 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 de 2021, Comunicación de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z