지구 깊숙한 곳에서 지구 규모의 양자 상전이가 감지되었습니다.

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네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 논문 “지구 하부 맨틀에 있는 페로페리클라아제 내 철 스핀 접합의 지진 표현”과 함께 제공되는 삽화. 크레딧: Nicoletta Parolini/Columbia Engineering

재료 물리학자와 지구 물리학자로 구성된 학제 간 팀은 이론적인 예측, 시뮬레이션 및 지진 단층 촬영을 결합하여 지구의 맨틀에서 스핀 전달을 찾습니다.

지구의 내부는 특히 가장 깊은 곳(>660km)에서 미스터리입니다. 연구원들은 이 지역의 지진 단층 촬영 사진만 가지고 있으며 이를 해석하려면 고압 및 고온에서 광물의 지진(음향) 속도를 계산해야 합니다. 이러한 계산을 통해 3D 속도 지도를 생성하고 관찰된 지역의 광물과 온도를 학습할 수 있습니다. 압력 하에서 결정 구조 변화와 같은 광물에서 상전이가 발생하면 과학자들은 속도의 변화, 일반적으로 지진 속도의 급격한 중단을 관찰합니다.

2003년에 실험실의 과학자들은 지구 하부 맨틀에서 두 번째로 풍부한 성분인 페로페리클라아제에서 철의 스핀 변화인 광물의 새로운 유형의 상 변화를 관찰했습니다. 스핀의 변화 또는 스핀 접합은 압력이나 온도와 같은 외부 촉매 하에서 페로페리클라아제와 같은 광물에서 발생할 수 있습니다. 다음 몇 년 동안 실험 및 이론 그룹은 하부 맨틀의 가장 풍부한 상인 ferropericlase와 bridgmanite 모두에서 이러한 상 변화를 확인했습니다. 그러나 아무도 왜, 어디서 이런 일이 일어났는지 확신하지 못했습니다.

스핀 크로스 서명

(a)와 (b)에서 차갑고 낮은 해양 판은 빠른 속도 영역으로 보여지고 따뜻한 용승 맨틀 암석은 (c)에서 느린 속도 영역으로 나타납니다. 플레이트와 기둥은 S파 모델에서 일관된 단층 촬영 신호를 생성하지만 P파 모델에서는 신호가 부분적으로 사라집니다. Credit: Columbia Engineering

2006년 컬럼비아 대학의 공학 교수인 Renata Wenitzkowicz는 페로페리클레이즈에 대한 첫 번째 논문을 발표하여 이 광물의 스핀 교차 이론을 제공했습니다. 그녀의 이론은 이것이 하부 맨틀에서 천 킬로미터에 걸쳐 일어날 것이라고 제안했습니다. 그 이후로 응용 물리학 교수이자 응용 수학, 지구 및 환경 과학부 교수인 Wentzkowitz와 Lamont-Doherty 지구 천문대 컬럼비아 대학교, 그녀의 그룹과 함께 페로페리클라아제와 브리지마나이트에서 스핀 접합의 가능한 모든 경우의 속도를 조사하고 이 접합 동안 이러한 광물의 특성을 예측하는 주제에 대한 13개의 연구 논문을 발표했습니다. 2014년에 극한 조건에서 물질, 특히 행성 물질에 대한 양자 역학 연구에 초점을 맞춘 연구를 수행하는 Wenzcovitch는 이 스핀 변화 현상이 지진 단층 촬영에서 어떻게 감지될 수 있는지 예측했지만 지진 학자들은 여전히 ​​그것을 볼 수 없었습니다.

Columbia Engineering의 다학제 팀과 협력하여 오슬로 대학교Ltd., Tokyo Institute of Technology 및 Intel Corporation, Wenzcovitch의 최신 연구 논문에서 이제 지구 하부 맨틀 깊숙이 있는 양자 전이인 강환형 접합 신호를 식별하는 방법을 보여줍니다. 이것은 페로페리클라아제가 풍부할 것으로 예상되는 지구 맨틀의 특정 지역을 관찰함으로써 달성되었습니다. 이 연구는 2021년 10월 8일에 발표되었습니다. 자연 연결.

Wentzkowitz는 “이번 흥미로운 발견은 나의 이전 예측을 확인시켜주며, 지구 깊숙한 곳에서 무슨 일이 일어나고 있는지 더 많이 알기 위해 함께 일하는 물질 물리학자와 지구 물리학자의 중요성을 보여줍니다.”라고 말했습니다.

회전 전이는 일반적으로 자기 기록에 사용되는 재료와 같은 재료에 사용됩니다. 몇 나노미터 두께의 자성 물질 층을 늘리거나 압축하면 층의 자기 특성을 변경하고 매체 기록의 특성을 향상시킬 수 있습니다. Wentzcovitch의 새로운 연구는 나노 규모에서 거시 규모로 이동할 때 동일한 현상이 지구 내부의 수천 킬로미터에 걸쳐 발생한다는 것을 보여줍니다.

더욱이, 지구역학 시뮬레이션은 스핀 접합이 지구의 맨틀에서 대류와 지각판의 움직임을 활성화한다는 것을 보여주었습니다. 따라서 우리는 이 양자 현상이 지진과 화산 폭발과 같은 지각 변동의 빈도를 증가시킨다고 생각합니다.”라고 Wentzkowitz는 말합니다.

연구원들이 이해하지 못하는 맨틀의 영역이 여전히 많이 있으며 스핀 상태를 변경하는 것은 속도, 위상 안정성 등을 이해하는 데 중요합니다. Wentzkowitz는 예측된 지진 속도를 사용하여 지진 단층 촬영 지도를 계속 해석합니다. 처음부터 밀도 함수 이론을 기반으로 한 계산. 또한 특히 철이 풍부한 지역, 용융 또는 거의 녹는 온도에서 지진 속도와 수송 특성을 예측하기 위해 보다 정확한 재료 시뮬레이션 기술을 개발 및 적용합니다.

Wentzkowicz는 “특히 흥미로운 점은 우리의 재료 시뮬레이션 방법이 강유전체 및 일반적으로 고온 재료와 같이 강하게 상호 연결된 재료에 적용할 수 있다는 것입니다.”라고 말합니다. “우리는 지구의 3D 단층 촬영에 대한 분석을 개선하고 지구 내부의 엄청난 압력이 지구 위의 삶에 간접적으로 영향을 미치는 방법에 대해 더 많이 배울 수 있을 것입니다.”

참조: Grace E. Sheppard, Kristin Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia Cardona, Redar G. Trons 및 Renata M. Wenitzkowicz의 “지구 하부 맨틀에서 페로페리클라아제 스핀 접합의 지진 표현”, 2021년 10월 8일 , 자연 연결.
DOI: 10.1038 / s41467-021-26115-z

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