p O interior da Terra é um mistério, especialmente em profundidades maiores (> 660 km). Os pesquisadores têm apenas imagens tomográficas sísmicas desta região e, para interpretá-los, eles precisam calcular as velocidades sísmicas (acústicas) em minerais em altas pressões e temperaturas. Com esses cálculos, eles podem criar mapas de velocidade 3D e descobrir a mineralogia e a temperatura das regiões observadas. Quando ocorre uma transição de fase em um mineral, como uma mudança na estrutura do cristal sob pressão, cientistas observam uma mudança de velocidade, geralmente uma descontinuidade de velocidade sísmica acentuada. p Em 2003, os cientistas observaram em um laboratório um novo tipo de mudança de fase em minerais - uma mudança de spin no ferro na ferropericlase, o segundo componente mais abundante do manto inferior da Terra. Uma mudança de rotação, ou cruzamento de rotação, pode acontecer em minerais como ferropericlase sob um estímulo externo, como pressão ou temperatura. Ao longo dos próximos anos, grupos experimentais e teóricos confirmaram esta mudança de fase na ferropericlase e na bridgmanita, a fase mais abundante do manto inferior. Mas ninguém sabia ao certo por que ou onde isso estava acontecendo.

p Em 2006, A professora de engenharia da Columbia, Renata Wentzcovitch, publicou seu primeiro artigo sobre ferropericlásio, fornecendo uma teoria para o cruzamento de spin neste mineral. Sua teoria sugeria que isso aconteceu em mil quilômetros no manto inferior. Desde então, Wentzcovitch, que é professor do departamento de física aplicada e matemática aplicada, ciências terrestres e ambientais, e Observatório da Terra Lamont-Doherty na Universidade de Columbia, publicou 13 artigos com seu grupo sobre este tópico, investigando velocidades em todas as situações possíveis do cruzamento de spin em ferropericlásio e bridgmanita, e prever as propriedades desses minerais ao longo deste cruzamento. Em 2014, Wenzcovitch, cuja pesquisa se concentra em estudos de mecânica quântica computacional de materiais em condições extremas, em particular, materiais planetários previram como esse fenômeno de mudança de spin poderia ser detectado em imagens tomográficas sísmicas, mas os sismólogos ainda não conseguiam ver.

p Trabalhando com uma equipe multidisciplinar da Columbia Engineering, a Universidade de Oslo, a Instituto de Tecnologia de Tóquio, e Intel Co., O artigo mais recente de Wenzcovitch detalha como eles agora identificaram o sinal de cruzamento de rotação da ferropericlase, uma transição de fase quântica nas profundezas do manto inferior da Terra. Isso foi conseguido observando-se regiões específicas do manto terrestre onde se espera que o ferropericlase seja abundante. O estudo foi publicado em 8 de outubro, 2021, no Nature Communications .

p "Esta descoberta emocionante, o que confirma minhas previsões anteriores, ilustra a importância de físicos e geofísicos de materiais trabalhando juntos para aprender mais sobre o que está acontecendo nas profundezas da Terra, "disse Wentzcovitch.

p A transição de spin é comumente usada em materiais como aqueles usados ​​para gravação magnética. Se você esticar ou comprimir apenas algumas camadas de nanômetros de espessura de um material magnético, você pode alterar as propriedades magnéticas da camada e melhorar as propriedades de gravação do meio. O novo estudo de Wentzcovitch mostra que o mesmo fenômeno acontece ao longo de milhares de quilômetros no interior da Terra, levando isso da escala nano para a macro.

p "Além disso, simulações geodinâmicas mostraram que o cruzamento de spin revigora a convecção no manto da Terra e o movimento das placas tectônicas. Então, pensamos que esse fenômeno quântico também aumenta a frequência de eventos tectônicos, como terremotos e erupções vulcânicas, "Anotações de Wentzcovitch.

p Ainda existem muitas regiões do manto que os pesquisadores não entendem e a mudança do estado de spin é crítica para compreender as velocidades, estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch continua a interpretar mapas tomográficos sísmicos usando velocidades sísmicas previstas por ab initio cálculos baseados na teoria do funcional da densidade. Ela também está desenvolvendo e aplicando técnicas de simulação de materiais mais precisas para prever velocidades sísmicas e propriedades de transporte, particularmente em regiões ricas em ferro, fundido, ou em temperaturas próximas ao derretimento.

p "O que é especialmente interessante é que nossos métodos de simulação de materiais são aplicáveis ​​a materiais fortemente correlacionados - multiferróicos, ferroelétricos, e materiais em altas temperaturas em geral, "Wentzcovitch diz." Seremos capazes de melhorar nossas análises de imagens tomográficas 3D da Terra e aprender mais sobre como as pressões esmagadoras do interior da Terra estão afetando indiretamente nossas vidas acima, na superfície da Terra. "