Sem um campo magnético, a vida na Terra seria bastante desconfortável:partículas cósmicas passariam por nossa atmosfera em grandes quantidades e danificariam as células de todos os seres vivos. Os sistemas técnicos funcionavam mal com frequência e os componentes eletrônicos podiam ser completamente destruídos em alguns casos.

Apesar de sua enorme importância para a vida em nosso planeta, ainda não se sabe totalmente o que cria o campo magnético da Terra. Existem várias teorias sobre sua origem, mas muitos especialistas os consideram insuficientes ou falhos. Uma descoberta feita por cientistas de Würzburg pode fornecer um novo ângulo explicativo. Suas descobertas foram publicadas na edição atual da revista. Nature Communications . De acordo, a chave para o efeito pode estar escondida na estrutura especial do elemento níquel.

Contradição entre teoria e realidade

"Os modelos padrão para o campo magnético da Terra usam valores para a condutividade elétrica e térmica dos metais dentro do núcleo do nosso planeta que não se enquadram na realidade, "Giorgio Sangiovanni diz; ele é professor do Instituto de Física Teórica e Astrofísica da Universidade de Würzburg. Junto com o aluno de doutorado Andreas Hausoel e o pós-doutorando Michael Karolak, ele é o responsável pela colaboração internacional publicada recentemente. Entre os participantes estão Alessandro Toschi e Karsten Held da TU Wien, que são parceiros de cooperação de longo prazo de Giorgio Sangiovanni, e cientistas de Hamburgo, Halle (Saale) e Yekaterinburg na Rússia.

No centro da Terra, a uma profundidade de cerca de 6, 400 km, há uma temperatura de 6, 300 graus Celsius e uma pressão de cerca de 3,5 milhões de bares. Os elementos predominantes, ferro e níquel, formam uma bola de metal sólida sob essas condições que constituem o núcleo interno da Terra. Este núcleo interno é rodeado pelo núcleo externo, uma camada fluida composta principalmente de ferro e níquel. O fluxo de metal líquido no núcleo externo pode intensificar as correntes elétricas e criar o campo magnético da Terra - pelo menos de acordo com a teoria geodinâmica comum. "Mas a teoria é um tanto contraditória, "Giorgio Sangiovanni diz.

Efeitos de correlação induzidos por estrutura de banda

"Isso ocorre porque, em temperatura ambiente, o ferro difere significativamente de metais comuns, como cobre ou ouro, devido à sua forte interação elétron-elétron eficaz. É fortemente correlacionado, "ele declara. Mas os efeitos da correlação de elétrons são atenuados consideravelmente nas temperaturas extremas prevalecentes no núcleo da Terra, de modo que as teorias convencionais são aplicáveis. Essas teorias então prevêem uma condutividade térmica muito alta para o ferro, o que está em desacordo com a teoria geodinâmica.

Com o níquel, as coisas são diferentes. "Descobrimos que o níquel exibe uma anomalia distinta em temperaturas muito altas, "explica o físico." O níquel também é um metal fortemente correlacionado. Ao contrário do ferro, isso não é devido apenas à interação elétron-elétron, mas é causado principalmente pela estrutura de banda especial do níquel. Batizamos o efeito de 'correlação induzida por estrutura de banda'. “A estrutura de banda de um sólido é determinada apenas pelo layout geométrico dos átomos na rede e pelo tipo de átomo.

Ferro e níquel no núcleo da Terra

"À temperatura ambiente, átomos de ferro irão se organizar de forma que os átomos correspondentes estejam localizados nos cantos de um cubo imaginário com um átomo central no centro do cubo, formando a chamada estrutura de rede bcc, "Andreas Hausoel acrescenta. Mas à medida que a temperatura e a pressão aumentam, esta estrutura muda:os átomos se movem juntos mais próximos e formam uma rede hexagonal, que os físicos se referem como uma rede hcp. Como resultado, o ferro perde a maioria de suas propriedades correlatas.

Mas não é assim com o níquel:"Neste metal, os átomos são compactados tão densamente quanto possível na estrutura do cubo já no estado normal. Eles mantêm esse layout mesmo quando a temperatura e a pressão se tornam muito grandes, "Hausoel explica. O comportamento físico incomum do níquel em condições extremas só pode ser explicado pela interação dessa estabilidade geométrica e as correlações de elétrons originadas dessa geometria. Apesar do fato de os cientistas terem negligenciado o níquel até agora, parece desempenhar um papel importante no campo magnético da Terra.

Dica decisiva da geofísica

Os acontecimentos dentro do núcleo da Terra não são o foco real das pesquisas nos Departamentos de Física Teórica do Estado Sólido da Universidade de Würzburg. Em vez de Sangiovanni, Hausoel e seus colegas se concentram nas propriedades de elétrons fortemente correlacionados em baixas temperaturas. Eles estudam os efeitos quânticos e os chamados efeitos multipartículas, que são interessantes para a próxima geração de dispositivos de processamento de dados e armazenamento de energia. Supercondutores e computadores quânticos são as palavras-chave neste contexto.

Dados de experimentos não são usados ​​neste tipo de pesquisa. "Tomamos as propriedades conhecidas dos átomos como entrada, incluir os insights da mecânica quântica e tentar calcular o comportamento de grandes aglomerados de átomos com isso, "Hausoel diz. Como esses cálculos são altamente complexos, os cientistas precisam contar com suporte externo, como o supercomputador SUPERMUC do Leibniz Supercomputing Center (LRZ) em Garching.

E o que o núcleo da Terra tem a ver com isso? "Queríamos ver o quão estáveis ​​são as novas propriedades magnéticas do níquel e descobrimos que elas sobrevivem mesmo a temperaturas muito altas, "Hausoel diz. Discussões com geofísicos e estudos adicionais de ligas de ferro-níquel mostraram que essas descobertas podem ser relevantes para o que está acontecendo dentro do núcleo da Terra.