Het binnenste van de aarde is een mysterie, vooral op grotere diepten (> 660 kilometer). Onderzoekers hebben alleen seismische tomografische beelden van deze regio en, om ze te interpreteren, ze moeten seismische (akoestische) snelheden in mineralen bij hoge drukken en temperaturen berekenen. Met die berekeningen ze kunnen 3D-snelheidskaarten maken en de mineralogie en temperatuur van de waargenomen regio's achterhalen. Wanneer een faseovergang optreedt in een mineraal, zoals een kristalstructuurverandering onder druk, wetenschappers observeren een snelheidsverandering, meestal een scherpe discontinuïteit van de seismische snelheid.

In 2003, wetenschappers observeerden in een laboratorium een ​​nieuw type faseverandering in mineralen - een spinverandering in ijzer in ferroperiklaas, de tweede meest voorkomende component van de onderste mantel van de aarde. Een spinwissel, of spin-crossover, kan gebeuren in mineralen zoals ferropericlase onder een externe stimulus, zoals druk of temperatuur. In de komende jaren, experimentele en theoretische groepen bevestigden deze faseverandering in zowel ferropericlas als bridgmanite, de meest voorkomende fase van de onderste mantel. Maar niemand wist precies waarom of waar dit gebeurde.

In 2006, Columbia Engineering Professor Renata Wentzcovitch publiceerde haar eerste paper over ferropericlase, het verstrekken van een theorie voor de spin-crossover in dit mineraal. Haar theorie suggereerde dat het over duizend kilometer in de lagere mantel gebeurde. Vanaf dat moment, Wentzcovitch, die hoogleraar is in de vakgroep toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde, aard- en milieuwetenschappen, en Lamont-Doherty Earth Observatory aan de Columbia University, heeft met haar groep 13 artikelen over dit onderwerp gepubliceerd, het onderzoeken van snelheden in elke mogelijke situatie van de spin-crossover in ferroperiklaas en bridgmanite, en het voorspellen van eigenschappen van deze mineralen tijdens deze cross-over. In 2014, Wenzcovitsj, wiens onderzoek zich richt op computationele kwantummechanische studies van materialen onder extreme omstandigheden, met name planetaire materialen voorspelden hoe dit fenomeen van spinverandering kon worden gedetecteerd in seismische tomografische afbeeldingen, maar seismologen konden het nog steeds niet zien.

Werken met een multidisciplinair team van Columbia Engineering, de Universiteit van Oslo, de Tokio Instituut voor Technologie, en Intel Co., Wenzcovitch's laatste paper beschrijft hoe ze nu het ferropericlase spin-crossover-signaal hebben geïdentificeerd, een kwantumfaseovergang diep in de onderste mantel van de aarde. Dit werd bereikt door te kijken naar specifieke regio's in de aardmantel waar ferroperiklaas naar verwachting overvloedig zal zijn. Het onderzoek werd op 8 oktober gepubliceerd, 2021, in Natuurcommunicatie .

"Deze spannende bevinding, wat mijn eerdere voorspellingen bevestigt, illustreert het belang van materiaalfysici en geofysici die samenwerken om meer te weten te komen over wat er zich diep in de aarde afspeelt, ’ zei Wentzcovitch.

Spinovergang wordt vaak gebruikt in materialen zoals die worden gebruikt voor magnetische opname. Als je slechts enkele nanometer dikke lagen van een magnetisch materiaal uitrekt of comprimeert, u kunt de magnetische eigenschappen van de laag wijzigen en de opname-eigenschappen van het medium verbeteren. Wentzcovitch's nieuwe studie laat zien dat hetzelfde fenomeen zich voordoet over duizenden kilometers in het binnenste van de aarde, dit van de nano- naar de macroschaal te brengen.

"Bovendien, geodynamische simulaties hebben aangetoond dat de spin-crossover convectie in de aardmantel en tektonische plaatbeweging stimuleert. Dus we denken dat dit kwantumfenomeen ook de frequentie van tektonische gebeurtenissen zoals aardbevingen en vulkaanuitbarstingen verhoogt, ’ merkt Wentzcovitch op.

Er zijn nog steeds veel regio's van de mantel die onderzoekers niet begrijpen en verandering van de spintoestand is van cruciaal belang voor het begrijpen van snelheden, fase stabiliteiten, enz. Wentzcovitch blijft seismische tomografische kaarten interpreteren met behulp van seismische snelheden voorspeld door ab initio berekeningen gebaseerd op dichtheidsfunctionaaltheorie. Ze ontwikkelt en past ook nauwkeurigere materiaalsimulatietechnieken toe om seismische snelheden en transporteigenschappen te voorspellen, vooral in regio's die rijk zijn aan ijzer, gesmolten, of bij temperaturen die bijna smelten.

"Wat vooral opwindend is, is dat onze materiaalsimulatiemethoden toepasbaar zijn op sterk gecorreleerde materialen - multiferroïcum, ferro-elektriciteit, en materialen bij hoge temperaturen in het algemeen, Wentzcovitch zegt. "We zullen onze analyses van 3D-tomografische beelden van de aarde kunnen verbeteren en meer leren over hoe de verpletterende druk van het binnenste van de aarde indirect ons leven hierboven beïnvloedt, op het aardoppervlak."