Transition de phase quantique détectée à l’échelle mondiale au plus profond de la Terre

Une équipe interdisciplinaire de physiciens des matériaux et de géophysiciens combine prédictions théoriques, simulations et tomographie sismique pour trouver la transmission de spin dans le manteau terrestre.

L’intérieur de la Terre est un mystère, surtout aux plus grandes profondeurs (>660 km). Les chercheurs ne disposent que d’images sismiques en coupe transversale de cette région et pour les interpréter, ils doivent calculer les vitesses sismiques (acoustiques) dans les minéraux à des pressions et des températures élevées. Avec ces calculs, ils peuvent créer des cartes de vitesse 3D et apprendre les minéraux et la température des zones observées. Lorsqu’une transition de phase se produit dans un minéral, telle qu’un changement de structure cristalline sous contrainte, les scientifiques observent un changement de vitesse, généralement une rupture brutale de la vitesse sismique.

En 2003, des scientifiques d’un laboratoire ont observé un nouveau type de changement de phase dans les minéraux – un changement de spin du fer dans la ferropériclase, le deuxième composant le plus abondant du manteau inférieur de la Terre. Un changement de spin, ou de jonction de spin, peut se produire dans des minéraux tels que la ferropériclase sous un catalyseur externe, tel que la pression ou la température. Au cours des années suivantes, des groupes expérimentaux et théoriques ont confirmé ce changement de phase à la fois dans la ferropériclase et la bridgmanite, la phase la plus abondante du manteau inférieur. Mais personne ne savait vraiment pourquoi ni où cela s’était produit.

Les plaques océaniques froides et inférieures sont vues comme des régions à vitesse rapide dans (a) et (b), et les roches chaudes du manteau ascendant sont vues comme des régions à vitesse lente dans (c). Les plaques et les colonnes produisent un signal tomographique cohérent dans les modèles à ondes S, mais le signal disparaît partiellement dans les modèles à ondes P. Crédit : Columbia Engineering

En 2006, Renata Wenitzkowicz, professeur d’ingénierie à l’Université de Columbia, a publié son premier article sur la ferropériclase, fournissant une théorie d’intersection de spin dans ce minéral. Sa théorie suggérait que cela se produirait sur un millier de kilomètres dans le manteau inférieur. Depuis lors, Wentzkowitz, professeur de physique appliquée et du Département de mathématiques appliquées, des sciences de la Terre et de l’environnement, et de l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty à Université Columbia, a publié 13 articles de recherche avec son groupe sur le sujet, étudiant les vitesses dans tous les cas possibles de la jonction de spin dans la ferropériclase et la bridgmanite, et prédisant les propriétés de ces minéraux au cours de cette jonction. En 2014, Wenzcovitch, dont les recherches portent sur les études de mécanique quantique des matériaux dans des conditions extrêmes, en particulier les matériaux planétaires, a prédit comment ce phénomène de changement de spin pourrait être détecté dans les tomogrammes sismiques, mais les sismologues ne pouvaient toujours pas le voir.

Travaillant avec une équipe multidisciplinaire de Columbia Engineering, Université d’OsloLtd., Tokyo Institute of Technology et Intel Corporation, le dernier document de recherche de Wenzcovitch montrant comment ils ont maintenant identifié le signal de jonction ferrocyclique, une transition quantique au plus profond du manteau inférieur de la Terre. Ceci a été réalisé en examinant des régions spécifiques du manteau terrestre où l’on s’attend à ce que la ferropériclase soit abondante. L’étude a été publiée le 8 octobre 2021 dans Connexions naturelles.

« Cette découverte passionnante, qui confirme mes prédictions précédentes, démontre l’importance pour les physiciens des matériaux et les géophysiciens de travailler ensemble pour en savoir plus sur ce qui se passe au plus profond de la Terre », a déclaré Wentzkowitz.

La transition rotationnelle est couramment utilisée dans des matériaux tels que ceux utilisés dans l’enregistrement magnétique. Si vous étirez ou comprimez quelques couches d’un nanomètre d’épaisseur d’un matériau magnétique, vous pouvez modifier les propriétés magnétiques de la couche et améliorer les propriétés du support d’enregistrement. La nouvelle étude de Wentzcovitch montre que le même phénomène se produit sur des milliers de kilomètres à l’intérieur de la Terre, lorsqu’il passe de l’échelle nanométrique à l’échelle macro.

De plus, des simulations géodynamiques ont montré que la jonction de spin active la convection dans le manteau terrestre et le mouvement des plaques tectoniques. Nous pensons donc que ce phénomène quantique augmente également la fréquence des événements tectoniques tels que les tremblements de terre et les éruptions volcaniques », note Wentzkowitz.

Il existe encore de nombreuses régions du manteau que les chercheurs ne comprennent pas, et changer l’état de spin est essentiel pour comprendre les vitesses, la stabilité de phase, etc. Wentzkowitz continue d’interpréter les cartes de tomographie sismique en utilisant les vitesses sismiques prévues dès le début Calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Il développe et applique également des techniques de simulation de matériaux plus précises pour prédire les vitesses sismiques et les propriétés de transport, en particulier dans les régions riches en fer, en fusion ou à des températures proches de la fusion.

« Ce qui est particulièrement excitant, c’est que nos méthodes de simulation de matériaux sont applicables à des matériaux fortement interconnectés – ferroélectriques et matériaux à haute température en général », déclare Wentzkowicz. « Nous pourrons améliorer nos analyses des tomogrammes 3D de la Terre et en apprendre davantage sur la façon dont les pressions écrasantes de l’intérieur de la Terre affectent indirectement nos vies au-dessus de la Terre. »

Référence : « Expression sismique de la jonction de spin ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre » par Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons et Renata M. Wenitzkowicz, 8 octobre 2021 , Connexions naturelles.
DOI : 10.1038 / s41467-021-26115-z