在地球深处的全球范围内检测到量子相变

Nature Communications 论文“地球下地幔铁方镁石中铁自旋结的地震表达”的插图。 图片来源：Nicoletta Parolini/哥伦比亚工程

一个由材料物理学家和地球物理学家组成的跨学科团队将理论预测、模拟和地震层析成像相结合，以寻找地幔中的自旋传输。

地球内部是个谜，尤其是在最深处（>660 公里）。 研究人员只有该地区的地震断层图，为了解释它们，他们需要计算矿物在高压和高温下的地震（声）速度。 通过这些计算，他们可以创建 3D 速度图并了解观测区域的矿物质和温度。 当矿物发生相变时，例如在压力下晶体结构发生变化，科学家们会观察到速度的变化，通常是地震速度的急剧中断。

2003 年，实验室的科学家们观察到了矿物的一种新型相变——铁方镁石中铁的自旋变化，铁方镁石是地球下地幔中含量第二丰富的成分。 在外部催化剂（例如压力或温度）下，矿物（例如铁方镁石）中可能会发生自旋或自旋结的变化。 在接下来的几年里，实验和理论小组证实了铁方镁石和桥锰矿（下地幔最丰富的相）的这种相变。 但没有人完全确定这是为什么或发生在何处。

在（a）和（b）中，冷和低洋板块被视为速度快的区域，而暖上涌的地幔岩石在（c）中被视为慢速区域。 板和柱在 S 波模型中产生相干断层扫描信号，但信号在 P 波模型中部分消失。信用：哥伦比亚工程

2006 年，哥伦比亚大学工程学教授 Renata Wenitzkowicz 发表了她关于亚铁镁石的第一篇论文，提供了这种矿物的自旋交叉理论。 她的理论表明，这将发生在下地幔一千公里的范围内。 从那时起，Wentzkowitz 是应用物理学和应用数学系、地球与环境科学系以及拉蒙特-多尔蒂地球观测站的教授。 哥伦比亚大学，与她的团队就该主题发表了 13 篇研究论文，研究了铁镁石和桥锰矿中每一种可能的自旋结情况下的速度，并预测了这些矿物在该结中的性质。 2014 年，Wenzcovitch 的研究重点是极端条件下材料（尤其是行星材料）的量子力学研究，预测了如何在地震层析成像中检测到这种自旋变化现象，但地震学家仍然看不到它。

与哥伦比亚工程的多学科团队合作， 奥斯陆大学有限公司、东京工业大学和英特尔公司，Wenzcovitch 的最新研究论文展示了他们现在如何识别铁环结信号，这是地球下地幔深处的量子跃迁。 这是通过观察地幔中预计富含铁镁石的特定区域来实现的。 该研究于 2021 年 10 月 8 日发表于 自然联系.

“这一激动人心的发现证实了我之前的预测，证明了材料物理学家和地球物理学家共同努力以了解更多关于地球深处正在发生的事情的重要性，”温茨科维茨说。

旋转跃迁通常用于材料，例如用于磁记录的材料。 如果拉伸或压缩磁性材料的几纳米厚层，则可以改变该层的磁性并改善介质记录的性能。 Wentzcovitch 的新研究表明，当地球从纳米尺度移动到宏观尺度时，同样的现象会发生在地球内部数千公里的范围内。

此外，地球动力学模拟表明，自旋结激活了地幔中的对流和构造板块的运动。 因此，我们认为这种量子现象还会增加地震和火山爆发等构造事件的频率，”温茨科维茨指出。

研究人员仍然不了解地幔的许多区域，而改变自旋状态对于了解速度、相稳定性等至关重要。 Wentzkowitz 继续使用预测的地震速度解释地震层析成像图 从一开始就 基于密度泛函理论的计算。 它还开发和应用更准确的材料模拟技术来预测地震速度和传输特性，特别是在富含铁、熔融或接近熔融温度的地区。

“特别令人兴奋的是，我们的材料模拟方法适用于强互连材料——铁电体，以及一般的高温材料，”Wentzkowicz 说。 “我们将能够改进对地球 3D 断层图像的分析，并更多地了解地球内部的压碎压力如何间接影响我们在地球上空的生活。”

参考：“地球下地幔中铁镁自旋结的地震表达”，作者：Grace E. Sheppard、Kristin Hauser、John W. Hernlund、Juan J. Valencia Cardona、Redar G. Trons 和 Renata M. Wenitzkowicz，2021 年 10 月 8 日, 自然联系.
DOI：10.1038 / s41467-021-26115-z