Quantenphasenübergang auf globaler Ebene tief im Erdinneren entdeckt

Ein multidisziplinäres Team aus Materialphysikern und Geophysikern kombiniert theoretische Vorhersagen, Simulationen und seismische Tomographie, um den Spinübergang im Erdmantel zu finden.

Das Erdinnere ist vor allem in größeren Tiefen (> 660 km) ein Rätsel. Forscher haben nur seismische tomografische Bilder dieser Region und müssen zu ihrer Interpretation seismische (akustische) Geschwindigkeiten in Mineralien bei hohen Drücken und Temperaturen berechnen. Mit diesen Berechnungen können sie 3D-Geschwindigkeitskarten erstellen und die Mineralogie und Temperatur der beobachteten Regionen ermitteln. Wenn in einem Mineral ein Phasenübergang auftritt, beispielsweise eine Kristallstrukturänderung unter Druck, beobachten Wissenschaftler eine Geschwindigkeitsänderung, normalerweise eine scharfe seismische Geschwindigkeitsdiskontinuität.

Im Jahr 2003 beobachteten Wissenschaftler in einem Labor eine neuartige Art von Phasenänderung bei Mineralien – eine Spinänderung von Eisen in Ferroperiklas, dem zweithäufigsten Bestandteil des unteren Erdmantels. Eine Spinänderung oder ein Spin-Crossover kann in Mineralien wie Ferroperiklas unter einem externen Stimulus wie Druck oder Temperatur auftreten. In den nächsten Jahren bestätigten experimentelle und theoretische Gruppen diese Phasenänderung sowohl in Ferroperiklas als auch in Bridgmanit, der am häufigsten vorkommenden Phase des unteren Mantels. Aber niemand war sich ganz sicher, warum oder wo dies geschah.

Kalte, subduzierende ozeanische Platten werden in (a) und (b) als Regionen mit hoher Geschwindigkeit gesehen, und warmes aufsteigendes Mantelgestein wird in (c) als Regionen mit langsamer Geschwindigkeit gesehen. Platten und Plumes erzeugen in S-Wellen-Modellen ein kohärentes tomographisches Signal, aber in P-Wellen-Modellen verschwindet das Signal teilweise. Bildnachweis: Columbia Engineering

Im Jahr 2006 veröffentlichte die Columbia Engineering Professorin Renata Wentzcovitch ihre erste Veröffentlichung über Ferroperiklas und lieferte eine Theorie für den Spin-Crossover in diesem Mineral. Ihre Theorie besagte, dass es sich über tausend Kilometer im unteren Erdmantel ereignet hat. Seitdem hat Wentzcovitch, Professor in der Abteilung für angewandte Physik und angewandte Mathematik, Geo- und Umweltwissenschaften, und das Lamont-Doherty Earth Observatory at Universität von Columbia, hat mit ihrer Gruppe 13 Artikel zu diesem Thema veröffentlicht, in denen sie Geschwindigkeiten in jeder möglichen Situation des Spin-Crossovers in Ferropericlas und Bridgmanit untersucht und die Eigenschaften dieser Minerale während dieses Crossovers vorhersagt. Im Jahr 2014 sagte Wenzcovitch, dessen Forschung sich auf computergestützte quantenmechanische Studien von Materialien unter extremen Bedingungen konzentriert, insbesondere planetarischen Materialien, voraus, wie dieses Phänomen der Spinänderung in seismischen tomographischen Bildern nachgewiesen werden könnte, aber Seismologen konnten es immer noch nicht sehen.

In Zusammenarbeit mit einem multidisziplinären Team von Columbia Engineering Universität Oslo, dem Tokyo Institute of Technology, und Intel Co. beschreibt Wenzcovitchs neuestes Papier, wie sie nun das Ferropericlas-Spin-Crossover-Signal identifiziert haben, einen Quantenphasenübergang tief im unteren Erdmantel. Dies wurde durch die Untersuchung bestimmter Regionen im Erdmantel erreicht, in denen Ferroperiklas voraussichtlich reichlich vorhanden sind. Die Studie wurde am 8. Oktober 2021 in . veröffentlicht Naturkommunikation.

„Dieser aufregende Befund, der meine früheren Vorhersagen bestätigt, zeigt, wie wichtig es ist, dass Materialphysiker und Geophysiker zusammenarbeiten, um mehr über die Vorgänge in der Tiefe der Erde zu erfahren“, sagte Wentzcovitch.

Spin-Übergänge werden üblicherweise in Materialien verwendet, wie sie für magnetische Aufzeichnungen verwendet werden. Wenn Sie nur wenige Nanometer dicke Schichten eines magnetischen Materials dehnen oder komprimieren, können Sie die magnetischen Eigenschaften der Schicht ändern und die Aufnahmeeigenschaften des Mediums verbessern. Wentzcovitchs neue Studie zeigt, dass das gleiche Phänomen über Tausende von Kilometern im Erdinneren stattfindet, und zwar von der Nano- bis zur Makroskala.

„Darüber hinaus haben geodynamische Simulationen gezeigt, dass der Spin-Crossover die Konvektion im Erdmantel und die tektonische Plattenbewegung belebt. Wir glauben also, dass dieses Quantenphänomen auch die Häufigkeit tektonischer Ereignisse wie Erdbeben und Vulkanausbrüche erhöht“, sagt Wentzcovitch.

Es gibt immer noch viele Regionen des Mantels, die die Forscher nicht verstehen, und die Änderung des Spinzustands ist entscheidend für das Verständnis von Geschwindigkeiten, Phasenstabilitäten usw. Wentzcovitch interpretiert weiterhin seismische tomografische Karten mithilfe von seismischen Geschwindigkeiten, die von von Anfang an Berechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie. Sie entwickelt und wendet auch genauere Materialsimulationstechniken an, um seismische Geschwindigkeiten und Transporteigenschaften vorherzusagen, insbesondere in eisenreichen, geschmolzenen oder bei Temperaturen nahe dem Schmelzen.

„Besonders spannend ist, dass unsere Materialsimulationsmethoden auf stark korrelierte Materialien anwendbar sind – Multiferroika, Ferroelektrika und Materialien bei hohen Temperaturen im Allgemeinen“, sagt Wentzcovitch. „Wir werden in der Lage sein, unsere Analysen von tomografischen 3D-Bildern der Erde zu verbessern und mehr darüber zu erfahren, wie sich der Druck im Erdinneren indirekt auf unser Leben über der Erdoberfläche auswirkt.“

Referenz: „Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the earth’s lower mantle“ von Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes und Renata M. Wentzcovitch, 8 Oktober 2021, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-021-26115-z