Zonder een magnetisch veld zou het leven op aarde nogal ongemakkelijk zijn:kosmische deeltjes zouden in grote hoeveelheden door onze atmosfeer gaan en de cellen van alle levende wezens beschadigen. Technische systemen zouden vaak defect raken en elektronische componenten zouden in sommige gevallen volledig kunnen worden vernietigd.

Ondanks zijn enorme betekenis voor het leven op onze planeet, het is nog steeds niet volledig bekend wat het magnetisch veld van de aarde veroorzaakt. Er zijn verschillende theorieën over de oorsprong ervan, maar veel experts beschouwen ze als onvoldoende of gebrekkig. Een ontdekking van Würzburg-wetenschappers zou een nieuwe verklaring kunnen bieden. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het huidige nummer van het tijdschrift Natuurcommunicatie . Overeenkomstig, de sleutel tot het effect zou verborgen kunnen zijn in de speciale structuur van het element nikkel.

Tegenstrijdigheid tussen theorie en werkelijkheid

"De standaardmodellen voor het magnetisch veld van de aarde gebruiken waarden voor de elektrische en thermische geleidbaarheid van de metalen in de kern van onze planeet die niet kunnen kloppen met de realiteit, " zegt Giorgio Sangiovanni; hij is professor aan het Instituut voor Theoretische Fysica en Astrofysica aan de Universiteit van Würzburg. Samen met promovendus Andreas Hausoel en postdoc Michael Karolak, hij is verantwoordelijk voor de internationale samenwerking die onlangs werd gepubliceerd. Onder de deelnemers zijn Alessandro Toschi en Karsten Held van TU Wien, die langdurige samenwerkingspartners zijn van Giorgio Sangiovanni, en wetenschappers uit Hamburg, Halle (Saale) en Jekaterinenburg in Rusland.

In het centrum van de aarde op een diepte van ongeveer 6, 400km, er is een temperatuur van 6, 300 graden Celsius en een druk van ongeveer 3,5 miljoen bar. De overheersende elementen, ijzer en nikkel, onder deze omstandigheden een solide metalen bal vormen die de binnenste kern van de aarde vormt. Deze binnenkern wordt omgeven door de buitenkern, een vloeibare laag die voornamelijk uit ijzer en nikkel bestaat. Het stromen van vloeibaar metaal in de buitenste kern kan elektrische stromen versterken en het magnetisch veld van de aarde creëren - althans volgens de algemene geodynamo-theorie. "Maar de theorie is enigszins tegenstrijdig, ' zegt Giorgio Sangiovanni.

Door bandstructuur geïnduceerde correlatie-effecten

"Dit komt omdat ijzer bij kamertemperatuur aanzienlijk verschilt van gewone metalen zoals koper of goud vanwege de sterke effectieve elektron-elektron-interactie. Het is sterk gecorreleerd, ', verklaart hij. Maar de effecten van elektronencorrelatie worden aanzienlijk afgezwakt bij de extreme temperaturen die in de kern van de aarde heersen, zodat conventionele theorieën toepasbaar zijn. Deze theorieën voorspellen dan een veel te hoge thermische geleidbaarheid voor ijzer, wat in strijd is met de geodynamo-theorie.

Met nikkel is dat anders. "We ontdekten dat nikkel een duidelijke anomalie vertoonde bij zeer hoge temperaturen, " legt de natuurkundige uit. "Nikkel is ook een sterk gecorreleerd metaal. In tegenstelling tot ijzer, dit is niet alleen te wijten aan de elektron-elektron interactie, maar wordt voornamelijk veroorzaakt door de speciale bandstructuur van nikkel. We noemden het effect 'band-structuur geïnduceerde correlatie'." De bandenstructuur van een vaste stof wordt alleen bepaald door de geometrische lay-out van de atomen in het rooster en door het atoomtype.

IJzer en nikkel in de kern van de aarde

"Op kamertemperatuur, ijzeratomen zullen zo worden gerangschikt dat de overeenkomstige atomen zich op de hoeken van een denkbeeldige kubus bevinden met één centraal atoom in het midden van de kubus, het vormen van een zogenaamde bcc-roosterstructuur, " voegt Andreas Hausoel toe. Maar naarmate de temperatuur en de druk toenemen, deze structuur verandert:de atomen komen dichter bij elkaar en vormen een hexagonaal rooster, die natuurkundigen een hcp-rooster noemen. Als resultaat, ijzer verliest de meeste van zijn gecorreleerde eigenschappen.

Maar niet zo met nikkel:"In dit metaal, de atomen zijn al in de normale toestand zo dicht mogelijk gepakt in de kubusstructuur. Ze behouden deze lay-out, zelfs wanneer temperatuur en druk erg hoog worden, " legt Hausoel uit. Het ongewone fysieke gedrag van nikkel onder extreme omstandigheden kan alleen worden verklaard door de interactie van deze geometrische stabiliteit en de elektronencorrelaties die voortkomen uit deze geometrie. Ondanks het feit dat wetenschappers nikkel tot nu toe hebben verwaarloosd, het lijkt een belangrijke rol te spelen in het magnetisch veld van de aarde.

Beslissende hint van geofysica

Het reilen en zeilen in de kern van de aarde is niet de werkelijke focus van onderzoek aan de afdelingen Theoretical Solid-state Physics van de Universiteit van Würzburg. Liever Sangiovanni, Hausoel en hun collega's concentreren zich op de eigenschappen van sterk gecorreleerde elektronen bij lage temperaturen. Ze bestuderen kwantumeffecten en zogenaamde multideeltjeseffecten die interessant zijn voor de volgende generatie dataverwerkings- en energieopslagapparaten. Supergeleiders en kwantumcomputers zijn daarbij de sleutelwoorden.

Gegevens uit experimenten worden bij dit soort onderzoek niet gebruikt. "We nemen de bekende eigenschappen van atomen als input, de inzichten uit de kwantummechanica meenemen en hiermee het gedrag van grote clusters van atomen proberen te berekenen, " zegt Hausoel. Omdat dergelijke berekeningen zeer complex zijn, de wetenschappers zijn aangewezen op externe ondersteuning, zoals de SUPERMUC-supercomputer in het Leibniz Supercomputing Center (LRZ) in Garching.

En wat heeft de kern van de aarde hiermee te maken? "We wilden zien hoe stabiel de nieuwe magnetische eigenschappen van nikkel zijn en ontdekten dat ze zelfs zeer hoge temperaturen overleven, " zegt Hausoel. Discussies met geofysici en verdere studies van ijzer-nikkellegeringen hebben aangetoond dat deze ontdekkingen relevant kunnen zijn voor wat er in de kern van de aarde gebeurt.