地球物理学终极命题:在地球深处探测到的全球规模量子相变

结合理论预测、模拟和地震断层扫描,由材料物理学家和地球物理学家组成的多学科团队正尝试发现地球地幔中的自旋转换。地球内部依然充满很多谜团,尤其是在 660 公里以下的深度。

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研究人员只有这个区域的地震断层图像,为了解释这些图像,他们需要计算高压和高温下矿物的地震(声学)速度。通过这些计算,他们可以创建三维速度图,并弄清所观察到的区域的矿物学和温度。当矿物中发生相变(例如在压力下的晶体结构变化)时,科学家可以观察到速度变化,通常是一个尖锐的地震速度不连续。

与来自哥伦比亚工程学院、奥斯陆大学、东京工业大学和英特尔公司的一个多学科团队合作,哥伦比亚工程学院教授 Renata Wentzcovitch 的最新论文详细介绍了他们现在如何确定铁橄榄石自旋交叉信号,这是地球下层地幔深处的一个量子相变。这是通过观察地球地幔中预计富含铁橄榄石的特定区域而实现的。这项研究于 2021 年 10 月 8 日发表在《Nature Communications》上。

Wentzcovitch 表示:“这一令人兴奋的发现,证实了我早先的预测,说明了材料物理学家和地球物理学家一起工作的重要性,以了解更多关于地球深处发生的事情”。

自旋转换通常用于像磁记录的材料。如果你仅仅拉伸或压缩几纳米厚的磁性材料层,你就可以改变该层的磁性,改善介质的记录特性。Wentzcovitch 的新研究表明,同样的现象在地球内部数千公里的范围内发生,将这一现象从纳米级带到了宏观级。

Wentzcovitch 还表示:“此外,地球动力学模拟表明,自旋交叉激活了地球地幔中的对流和构造板块运动。因此,我们认为这种量子现象也增加了地震和火山爆发等构造事件的频率”。

研究人员对地幔的许多区域仍不了解,自旋状态的变化对了解速度、相位稳定性等至关重要。Wentzcovitch 正在继续使用基于密度泛函理论的自发计算所预测的地震速度来解释地震断层图。她还在开发和应用更精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、熔化或温度接近熔化的区域。

Wentzcovitch 表示:“特别令人兴奋的是,我们的材料模拟方法适用于强相关材料--多铁性、铁电性,以及一般高温下的材料。我们将能够改进我们对地球三维断层图像的分析,并更多地了解地球内部的破碎压力是如何间接地影响我们在地球表面的生活的”。

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