Une équipe multidisciplinaire 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 à de 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 hautes pressions et températures. Avec ces calculs, ils peuvent créer des cartes de vitesse 3D et connaître les minéraux et la température dans les zones observées. Lorsqu’une transition de phase se produit dans un minéral, comme une structure cristalline changeant sous la pression, les scientifiques remarquent un changement de vitesse, généralement une rupture brutale de la vitesse sismique.
En 2003, des scientifiques d’un laboratoire ont remarqué un nouveau type de changement de phase dans les minéraux – un changement du spin du fer dans la ferropyriclase, le deuxième composant le plus abondant du manteau inférieur de la Terre. Un changement de spin, ou croisement de spin, peut se produire dans des minéraux tels que la ferropériclase sous un stimulus 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 inférieures froides sont considérées comme des régions à vitesse rapide en (a) et (b), et les roches chaudes du manteau ascendant sont considérées comme des régions à vitesse lente en (c). Les plaques et les colonnes produisent un signal tomographique cohérent dans les modèles d’onde S, mais le signal disparaît partiellement dans les modèles d’onde P. Crédit : Columbia Engineering
En 2006, Renata Wentzkowitz, professeur d’ingénierie à l’Université de Columbia, a publié son premier article sur la ferrubériclase, présentant une théorie de la jonction 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, sciences de la Terre et de l’environnement, Observatoire de la Terre Lamont-Doherty à Université de Colombie, a publié 13 articles avec son groupe sur ce sujet, étudiant les vitesses dans tous les cas possibles d’une 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 pouvait être détecté dans les tomogrammes sismiques, mais les sismologues ne le voient toujours pas.
Travaillant avec l’équipe multidisciplinaire de Columbia Engineering, le Université d’Oslo, Tokyo Institute of Technology et Intel Corporation, le dernier article de Wenzcovitch décrit maintenant comment ils ont maintenant identifié le signal de jonction circulaire ferroélectrique, une transition quantique profonde dans le manteau inférieur de la Terre. Ceci a été réalisé en examinant des régions spécifiques du manteau terrestre où la ferropériclase devrait être abondante. L’étude a été publiée le 8 octobre 2021 dans le Communication Nature.
« 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 en profondeur », a déclaré Wentzkowitz.
La transition de spin est couramment utilisée dans des matériaux tels que ceux utilisés dans l’enregistrement magnétique. Si vous étirez ou comprimez quelques couches de matériau magnétique de quelques nanomètres d’épaisseur, 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, passant de l’échelle nanométrique à l’échelle macro.
De plus, des simulations géodynamiques ont montré que l’intersection de la circulation active la convection dans le manteau terrestre et le mouvement des plaques tectoniques. Par conséquent, nous pensons 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 le changement d’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 qu’il a prédites le début Calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Il développe et applique également des techniques de simulation des matériaux plus précises pour prédire les vitesses sismiques et les propriétés de transport, en particulier dans les zones 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 des matériaux sont applicables aux matériaux fortement corrélés – les ferroélectriques et les matériaux à haute température en général », déclare Wentzcovitch. « Nous pourrons améliorer nos analyses d’images tomographiques 3D de la Terre et en savoir plus sur la façon dont les pressions écrasantes de l’intérieur de la Terre affectent indirectement nos vies au-dessus de la surface de la Terre. »
Référence : « Expression sismique de l’intersection de spin ferreux dans la ferropericlase du manteau inférieur de la Terre » par Grace E. Sheppard, Christine Hauser, John W. Hernlund, Juan J. Alencia-Cardona, Rydar J. Tronce et Renata M Wentzkowitz 8 octobre 2021, disponible ici. Communication Nature.
DOI : 10.1038 / s41467-021-26115-z
