Combinando predicciones teóricas, simulaciones y tomografía sísmica, un equipo multidisciplinario de físicos de materiales y geofísicos está tratando de descubrir transiciones de espín en el manto de la Tierra. El interior de la Tierra sigue lleno de misterios, especialmente a profundidades inferiores a los 660 kilómetros.
Los investigadores solo tenían imágenes tomográficas sísmicas de esta área, y para interpretar estas imágenes, necesitaban calcular las velocidades sísmicas (acústicas) de los minerales a alta presión y temperatura. A partir de estos cálculos, pueden crear un mapa de velocidad tridimensional y determinar la mineralogía y la temperatura de la región observada. Cuando ocurre una transición de fase en un mineral, como un cambio en la estructura cristalina bajo presión, los científicos pueden observar un cambio de velocidad, generalmente una discontinuidad de velocidad sísmica aguda.
En colaboración con un equipo multidisciplinario de Ingeniería de Columbia, la Universidad de Oslo, el Instituto de Tecnología de Tokio e Intel Corporation, el último artículo de la profesora de Ingeniería de Columbia, Renata Wentzcovitch, detalla cómo ahora han determinado la señal de cruce de espín de fayalita, que se encuentra en lo profundo del manto inferior de la Tierra. Una transición de fase cuántica en . Esto se logró al observar regiones específicas del manto de la Tierra que se esperaba que fueran ricas en fayalita. La investigación se publicó en Nature Communications el 8 de octubre de 2021.
“Este emocionante descubrimiento confirma mis predicciones anteriores e ilustra la importancia de que los físicos de materiales y los geofísicos trabajen juntos para aprender más sobre lo que sucede en las profundidades de la Tierra”, dijo Wentzcovitch.
La conversión de espín se usa a menudo en materiales como la grabación magnética. Si estira o comprime una capa de material magnético de unos pocos nanómetros de espesor, puede cambiar las propiedades magnéticas de esa capa y mejorar las propiedades de grabación del medio. Una nueva investigación de Wentzcovitch muestra que el mismo fenómeno ocurre dentro de miles de kilómetros del interior de la Tierra, llevándolo de la nanoescala a la macroescala.
“Además, las simulaciones geodinámicas muestran que el cruce de espín activa la convección y el movimiento de las placas tectónicas en el manto de la Tierra. Por lo tanto, creemos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de eventos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas”, dijo Wentzcovitch.
Muchas regiones del manto aún son desconocidas para los investigadores, y los cambios en el estado de espín son fundamentales para comprender la velocidad, la estabilidad de fase y más. Wentzcovitch continúa interpretando tomogramas sísmicos utilizando velocidades sísmicas predichas por cálculos espontáneos basados en la teoría funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de modelado de materiales más precisas para predecir la velocidad sísmica y las propiedades de transmisión, especialmente en regiones ricas en hierro, fundidas o cercanas al punto de fusión.
Wentzcovitch dijo: “Lo que es particularmente emocionante es que nuestro método de simulación de materiales es aplicable a materiales fuertemente correlacionados: multiferroicos, ferroeléctricos y, en general, a altas temperaturas. Podremos mejorar nuestro análisis de imágenes tomográficas 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo la presión aplastante del interior de la Tierra afecta indirectamente nuestras vidas en la superficie de la Tierra”.
