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Un equipo multidisciplinar de físicos de materiales y geofísicos combina predicciones teóricas, simulaciones y tomografía sísmica para encontrar la transición de espín en el manto terrestre. Sus hallazgos mejorarán la comprensión del interior de la Tierra y ayudarán a dilucidar el impacto de este fenómeno en eventos tectónicos como las erupciones volcánicas y los terremotos.
El interior de la Tierra es un misterio, especialmente a grandes profundidades (> 660 km). Los investigadores solo disponen de imágenes sísmicas tomográficas de esta región y, para interpretarlas, necesitan calcular las velocidades sísmicas (acústicas) de los minerales a altas presiones y temperaturas. Con esos cálculos, pueden crear mapas de velocidad en 3D y averiguar la mineralogía y la temperatura de las regiones observadas.
En 2003, los científicos observaron en el laboratorio un nuevo tipo de cambio de fase en los minerales: un cambio de espín en el hierro de la ferropericlasa, el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Un cambio de espín, o cruce de espín, puede producirse en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo, como la presión o la temperatura. En los años siguientes, grupos experimentales y teóricos confirmaron este cambio de fase tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, la fase más abundante del manto inferior. Pero nadie estaba seguro de por qué o dónde ocurría.
En 2006, la profesora de ingeniería de Columbia Renata Wentzcovitch publicó su primer artículo sobre la ferropericlasa, aportando una teoría sobre el cruce de espines en este mineral. Su teoría sugería que ocurría a lo largo de mil kilómetros en el manto inferior. Desde entonces, Wentzcovitch, que es profesora del departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas, de ciencias de la tierra y del medio ambiente, y del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia, ha publicado 13 artículos con su grupo sobre este tema, investigando las velocidades en todas las situaciones posibles del cruce de espín en la ferropericlasa y la bridgmanita, y prediciendo las propiedades de estos minerales a lo largo de este cruce. En 2014, Wenzcovitch, cuya investigación se centra en los estudios de mecánica cuántica computacional de materiales en condiciones extremas, en particular de materiales planetarios, predijo cómo este fenómeno de cambio de espín podría detectarse en las imágenes tomográficas sísmicas, pero los sismólogos aún no podían verlo.
En colaboración con un equipo multidisciplinar de Columbia Engineering, la Universidad de Oslo, el Instituto Tecnológico de Tokio e Intel Co., el último artículo de Wenzcovitch detalla cómo han identificado ahora la señal de cruce de espín de la ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra.
"Este emocionante hallazgo, que confirma mis predicciones anteriores, ilustra la importancia de que los físicos de materiales y los geofísicos trabajen juntos para aprender más sobre lo que sucede en las profundidades de la Tierra", dijo Wentzcovitch.
La transición de espín se utiliza habitualmente en materiales como los utilizados para la grabación magnética. Si se estiran o comprimen unas pocas capas de espesor nanométrico de un material magnético, se pueden cambiar las propiedades magnéticas de la capa y mejorar las propiedades de grabación del medio. El nuevo estudio de Wentzcovitch demuestra que el mismo fenómeno se produce a lo largo de miles de kilómetros en el interior de la Tierra, lo que supone pasar de la nanoescala a la macroescala.
"Además, las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espines vigoriza la convección en el manto terrestre y el movimiento de las placas tectónicas. Así que pensamos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de acontecimientos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas", señala Wentzcovitch.
Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden y el cambio de estado del espín es fundamental para entender las velocidades, las estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch sigue interpretando los mapas tomográficos sísmicos utilizando las velocidades sísmicas predichas por cálculos ab initio basados en la teoría del funcional de la densidad. También está desarrollando y aplicando técnicas de simulación de materiales más precisas para predecir las velocidades sísmicas y las propiedades de transporte, especialmente en regiones ricas en hierro, fundidas o a temperaturas cercanas a la fusión.
"Lo que es especialmente emocionante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales fuertemente correlacionados: multiferrosos, ferroeléctricos y materiales a altas temperaturas en general", dice Wentzcovitch.
"Podremos mejorar nuestros análisis de las imágenes tomográficas 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las presiones de aplastamiento del interior de la Tierra están afectando indirectamente a nuestras vidas arriba, en la superficie terrestre".
Fuentes, créditos y referencias:
Grace E. Shephard et al, Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the Earth's lower mantle, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26115-z
Imagen: Ilustración que acompaña al artículo de Nature Communications, "Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the lower mantle of the Earth". Crédito: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering