地球の奥深くで全地球的規模での量子相転移が検出されまし

材料の物理学者と地球物理学者構成される学術チームは、理論的予測、シミュレーション、地震断層撮影を組み合わせて、地球のマントルでスピン転移を探します。

地球内部は特により深いところ（> 660km）で謎です。 研究者はこの地域の地震断層撮影画像だけを持っており、これを解釈するには、高圧および高温での鉱物の地震（音響）の速度を計算する必要があります。 これらの計算により、3D速度マップを作成し観察された地域の鉱物と温度を把握することができます。 圧力の下で結晶構造の変化のような鉱物で相転移が発生すると、科学者たちは速度変化は、一般的に急激な地震速度不連続を観察します。

2003年、科学者たちは、実験室では、新しいタイプの鉱物相変化を観察した。 つまり、地球下部マントルで二番目に豊富な成分である鉄フェリークアゼで鉄のスピン変化です。 スピンの変化やスピンクロスオーバーは、圧力や温度などの外部刺激の下で鉄フェリークライアントアゼのような鉱物で発生する可能性があります。 次の数年の間に、実験と理論のグループは、下部マントルの最も豊かな商人ferropericlaseとbridgmaniteの両方で、これらの相変化を確認した。 しかし、誰もなぜか、どここんなことが起こっているかを確認していました。

（a）と（b）で冷たく沈み込み帯れるヘヤンパンは高速領域で見られて、暖かい上昇マントル岩石は（c）で低速領域に表示されます。 プレートと柱はS波モデルで一貫性のある断層撮影信号を生成するがP波モデルでは、信号が部分的に消えます。 クレジット：コロンビアエンジニアリング

2006年コロンビア工学の教授であるRenata Wentzcovitchはフェロフェリークアゼの最初の論文を発表して、この鉱物のスピンクロスの理論を提供しています。 彼女の理論は、それが下部マントルで千キロにわたって発生したと示唆した。 以降応用物理学と応用することができ学部、地球環境科学部の教授であるWentzcovitchとLamont-Doherty Earth Observatoryから コロンビア大学、彼女はこのテーマについての彼女のグループと一緒に、13個の論文を発表し、フェロフェリークライアントアゼとブリッジマナイトのスピンクロスオーバーのすべての可能な状況で速度を調査し、このクロスオーバー全体これらの鉱物の特性を予測しました。 2014年に極端な条件で物質、特に惑星物質の電算量子力学の研究に焦点を当てた研究を実施するWenzcovitchは、これらのスピンの変化現象が地震断層撮影画像からどのように検出することができるかどうか予測したが、地震学者たちは、まだそれを見ることができませんでした。

Columbia Engineeringの多学際的なチームと協力して オスロ大学、Tokyo Institute of TechnologyとIntel Co.、Wenzcovitchの最新論文では、地球下部マントル深く、両者相転移であるフェロフェリークアゼスピンクロス信号を今どのように識別していることについて詳しく説明します。 これはフェロフェリークアゼが豊富と予想される地球のマントル内の特定の地域を観察することによって達成された。 この研究では、2021年10月8日に発表されました。 ネイチャーコミュニケーションズ。

Wentzcovitchは「このエキサイティングな発見は、私の最初の予測を確認させてくれて、地球の奥深くで何が起こっているかどうか、より多くの知るために一緒に働く物質の物理学者と地球物理学者の重要性を示しています。」と言いました。

スピン転移は、一般的に磁気記録に使用されるのと同じ材料に使用されます。 数ナノメートルの厚さの磁性材料層を増やしたり、圧縮すると層の磁気特性を変更し、媒体の記録特性を向上させることができます。 Wentzcovitchの新しい研究によると、同じ現象が、地球内部の何千キロもにかけて発生し、これをナノスケールでのマクロ規模で取得します。

「それに、地球力学的シミュレーションは、スピンクロスオーバーが地球のマントルと地殻プレートの動きで対流を有効にすることを示しました。 したがって、私たちは、この両者の現象が地震や火山噴火などの地殻変動の頻度も増加させると思います。」とWentzcovitchは言います。

マントルの研究者が理解していない領域がまだたくさんあり、回転状態の変化は、速度、位相安定性などを理解するために重要です。 Wentzcovitchは 最初から 密度機能理論に基づいた計算。 彼女はまた、特に鉄の豊富な地域では、溶融された地域や溶融に近い温度で、地震速度と輸送特性を予測するために、より正確な材料シミュレーション技術を開発し、適用しています。

Wentzcovitchは「特に興味深いのは、私たちの材料のシミュレーション方法が強い相関関係がある材料（多剛性、強誘電体と、一般的に高温の材料）に適用することができるということです。」と言います。 「私たちは、地球の3D断層撮影画像の解析を改善し、地球内部の巨大な圧力が地球の表面上の私たちの生活の中に間接的に影響を与える方法の詳細については多くを学ぶことができます。」

参照：Grace E. Shephard、Christine Houser、John W. Hernlund、Juan J. Valencia-Cardona、Reidar G.TrønnesとRenata M. Wentzcovitchの「地球下部マントルのフェロフェリークライアントアゼの鉄スピンクロスオーバーの地震学的表現 “、8 2021年10月には、 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI：10.1038 / s41467-021-26115-z