《自然·通讯》：在地球660公里深处发现超大规模的量子相变

地球的内部是一个谜，特别是在超过660公里的深度。研究人员目前只有这一地区的地震断层图像，为了解释这些图像，他们需要计算高压和高温下矿物的地震速度。通过这些计算，他们可以创建三维速度图，并弄清所观察到区域的矿物学和温度。相变是物质系统不同相之间的相互转变。 固、液、气三相之间转变时，常伴有吸热或放热以及体积突变。 当矿物中发生相变时，例如在压力下的晶体结构变化，科学家就能观察到速度变化。

2003年，科学家们在实验室里观察到了一种新型的矿物相变——铁橄榄石中铁的变化，铁橄榄石是地幔中第二丰富的成分。在压力或温度等外部刺激下，它会产生自旋交叉。在接下来的几年里，实验和理论小组证实了铁橄榄石和布里奇曼石的这种相变，布里奇曼石是下地幔中最丰富的相。但是没有人清楚为什么会发生这种情况，或者发生在哪里。

2006年，哥伦比亚大学工程系教授Renata Wentzcovitch发表了她关于铁橄榄石的第一篇论文，为这种矿物的自旋交叉提供了一个理论。她的理论表明自旋交叉发生在下地幔的一千公里范围内。从那时起，哥伦比亚大学应用物理和应用数学系、地球和环境科学系以及拉蒙特-多尔蒂地球观测站的Wentzcovitch教授与她的小组就这一主题发表了13篇论文，研究了铁橄榄石和布里奇曼石中自旋交叉的各种可能情况的发生速度，并预测了这些矿物在整个交叉过程中的特性。2014年，Wentzcovitch的研究重点是极端条件下材料的计算量子力学研究，特别是行星材料。她预测，这种自旋变化现象可在地震断层图像中被检测到，但地震学家仍然无法看到它。

与来自哥伦比亚工程学院、奥斯陆大学、东京工业大学和英特尔公司的一个多学科团队合作，通过观察地球地幔中预计富含铁橄榄石的特定区域，Wenzcovitch的最新论文介绍他们现在已经确定了铁橄榄石自旋交叉的信号。

自旋交叉通常用于记录磁的材料。如果仅仅拉伸或压缩几纳米厚的磁性材料层，就可以改变该层的磁性，改善介质的记录性能。Wentzcovitch的新研究表明，同样的现象在地球内部数千公里的范围内发生，这一现象从纳米级变成了宏观级。

此外，地球动力学模拟表明，自旋交叉激活了地球地幔中的对流和构造板块运动。因此，这种量子现象也增加了地震和火山爆发等构造事件的频率。

研究人员对地幔的许多区域仍不了解，而自旋状态的变化对了解速度、相位稳定性等至关重要。Wentzcovitch正在继续使用基于密度泛函理论的自发计算所预测的地震速度来解释地震断层图。她还在开发和应用更精确的材料模拟技术来预测地震速度和传输特性，特别是在富含铁或温度接近熔化的区域。

该研究论文题为"Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the Earth's lower mantle"，已发表在《自然·通讯》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26115-z