Transição de fase quântica detectada em uma escala global nas profundezas da Terra

As placas oceânicas frias e subdutoras são vistas como regiões de velocidade rápida em (a) e (b), e as rochas quentes e ascendentes do manto são vistas como regiões de baixa velocidade em (c). Placas e plumas produzem um sinal tomográfico coerente em modelos de onda S, mas o sinal desaparece parcialmente em modelos de onda P. Crédito: Columbia Engineering

O interior da Terra é um mistério, especialmente em profundidades maiores (> 660 km). Os pesquisadores possuem apenas imagens tomográficas sísmicas dessa região e, para interpretá-las, precisam calcular as velocidades sísmicas (acústicas) em minerais em altas pressões e temperaturas. Com esses cálculos, eles podem criar mapas de velocidade 3D e descobrir a mineralogia e a temperatura das regiões observadas. Quando ocorre uma transição de fase em um mineral, como uma mudança na estrutura do cristal sob pressão, os cientistas observam uma mudança na velocidade, geralmente uma descontinuidade acentuada da velocidade sísmica.

Em 2003, os cientistas observaram em um laboratório um novo tipo de mudança de fase nos minerais – uma mudança no spin do ferro na ferropericlase, o segundo componente mais abundante do manto inferior da Terra. Uma mudança de spin, ou crossover de spin, pode acontecer em minerais como a ferropericlase sob um estímulo externo, como pressão ou temperatura. Nos anos seguintes, grupos experimentais e teóricos confirmaram essa mudança de fase tanto na ferropericlase quanto na bridgmanita, a fase mais abundante do manto inferior. Mas ninguém sabia ao certo por que ou onde isso estava acontecendo.

Em 2006, a professora de engenharia da Columbia, Renata Wentzcovitch, publicou seu primeiro artigo sobre ferropericlase, fornecendo uma teoria para o cruzamento de spin neste mineral. Sua teoria sugeria que isso aconteceu em mil quilômetros no manto inferior. Desde então, Wentzcovitch, que é professora do departamento de física aplicada e matemática aplicada, ciências da terra e ambientais, e do Observatório da Terra Lamont-Doherty na Universidade de Columbia, publicou 13 artigos com seu grupo sobre este tópico, investigando velocidades em todas as situações possíveis do cruzamento de spin em ferropericlase e bridgmanita, e predição das propriedades desses minerais ao longo deste cruzamento. Em 2014, Wenzcovitch, cuja pesquisa se concentra em estudos de mecânica quântica computacional de materiais em condições extremas, em particular materiais planetários, previu como esse fenômeno de mudança de spin poderia ser detectado em imagens tomográficas sísmicas, mas os sismólogos ainda não conseguiam vê-lo.

Trabalhando com uma equipe multidisciplinar da Columbia Engineering, da University of Oslo, do Tokyo Institute of Technology e da Intel Co., o último artigo de Wenzcovitch detalha como eles identificaram o sinal de cruzamento de spin da ferropericlase, uma transição de fase quântica nas profundezas do manto inferior da Terra . Isso foi conseguido observando-se regiões específicas do manto terrestre onde se espera que o ferropericlase seja abundante. O estudo foi publicado em 8 de outubro de 2021 na Nature Communications.

Ilustração para acompanhar o artigo da Nature Communications, “Expressão sismológica do crossover de spin do ferro em ferropericlase no manto inferior da Terra.” Crédito: Nicoletta Barolini / Columbia Engineering

“Esta descoberta emocionante, que confirma minhas previsões anteriores, ilustra a importância dos físicos de materiais e geofísicos trabalhando juntos para aprender mais sobre o que está acontecendo nas profundezas da Terra”, disse Wentzcovitch.

A transição de spin é comumente usada em materiais como aqueles usados ​​para gravação magnética. Se você esticar ou comprimir apenas algumas camadas de nanômetros de espessura de um material magnético, poderá alterar as propriedades magnéticas da camada e melhorar as propriedades de gravação média. O novo estudo de Wentzcovitch mostra que o mesmo fenômeno acontece ao longo de milhares de quilômetros no interior da Terra, levando-o da escala nano à macro.

“Além disso, simulações geodinâmicas mostraram que o cruzamento de spin revigora a convecção no manto da Terra e o movimento das placas tectônicas. Portanto, pensamos que esse fenômeno quântico também aumenta a frequência de eventos tectônicos, como terremotos e erupções vulcânicas”, observa Wentzcovitch.

Ainda existem muitas regiões do manto que os pesquisadores não entendem e a mudança do estado de rotação é crítica para a compreensão das velocidades, estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch continua a interpretar mapas tomográficos sísmicos usando velocidades sísmicas previstas por cálculos ab initio com base na teoria do funcional de densidade. Ela também está desenvolvendo e aplicando técnicas de simulação de materiais mais precisas para prever velocidades sísmicas e propriedades de transporte, particularmente em regiões ricas em ferro fundido ou em temperaturas próximas à fusão.

“O que é especialmente interessante é que nossos métodos de simulação de materiais são aplicáveis ​​a materiais fortemente correlacionados – multiferróicos, ferroelétricos e materiais em altas temperaturas em geral”, diz Wentzcovitch. “Seremos capazes de melhorar nossas análises de imagens tomográficas 3D da Terra e aprender mais sobre como as pressões esmagadoras do interior da Terra estão afetando indiretamente nossas vidas acima, na superfície da Terra.”

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