Illustration accompagnant l’article de Nature Communications, « Expression sismologique du croisement de spin de fer dans la ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre. » Crédit : Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
Une équipe multidisciplinaire de physiciens des matériaux et de géophysiciens combine prédictions théoriques, simulations et tomographie sismique pour trouver la transition de spin dans le manteau terrestre.
L’intérieur de la Terre est un mystère, surtout à plus grande profondeur (> 660 km). Les chercheurs ne disposent que d’images tomographiques sismiques de cette région et, pour les interpréter, ils doivent calculer les vitesses sismiques (acoustiques) dans les minéraux à hautes pressions et températures. Avec ces calculs, ils peuvent créer des cartes de vitesse 3D et déterminer la minéralogie et la température des régions observées. Lorsqu’une transition de phase se produit dans un minéral, comme un changement de structure cristalline sous pression, les scientifiques observent un changement de vitesse, généralement une discontinuité de vitesse sismique prononcée.
En 2003, des scientifiques ont observé dans un laboratoire un nouveau type de changement de phase dans les minéraux – un changement de spin du fer dans la ferropériclase, le deuxième composant le plus abondant du manteau inférieur de la Terre. Un changement de spin, ou un croisement de spin, peut se produire dans des minéraux comme le ferropériclase sous un stimulus externe, tel que la pression ou la température. Au cours des années suivantes, des groupes expérimentaux et théoriques ont confirmé ce changement de phase à la fois dans la ferropériclase et la bridgmanite, la phase la plus abondante du manteau inférieur. Mais personne ne savait exactement pourquoi ni où cela se produisait.
Les plaques océaniques froides en subduction sont considérées comme des régions à vitesse rapide en (a) et (b), et la roche montante chaude du manteau est considérée comme des régions à vitesse lente en (c). Les plaques et les panaches produisent un signal tomographique cohérent dans les modèles d’onde S, mais le signal disparaît partiellement dans les modèles d’onde P. Crédit : Columbia Engineering
En 2006, la professeure d’ingénierie de Columbia, Renata Wentzcovitch, a publié son premier article sur la ferropériclase, fournissant une théorie du croisement de spin dans ce minéral. Sa théorie suggérait que cela s’était produit sur un millier de kilomètres dans le manteau inférieur. Depuis, Wentzcovitch, qui est professeur au département de physique appliquée et de mathématiques appliquées, sciences de la terre et de l’environnement, et à l’Observatoire de la Terre Lamont-Doherty à Université de Colombie, a publié 13 articles avec son groupe sur ce sujet, étudiant les vitesses dans toutes les situations possibles du croisement de spin dans la ferropériclase et la bridgmanite, et prédisant les propriétés de ces minéraux tout au long de ce croisement. En 2014, Wenzcovitch, dont les recherches portent sur les études de mécanique quantique computationnelle des matériaux dans des conditions extrêmes, en particulier les matériaux planétaires, a prédit comment ce phénomène de changement de spin pouvait être détecté dans les images tomographiques sismiques, mais les sismologues ne pouvaient toujours pas le voir.
Travaillant avec une équipe multidisciplinaire de Columbia Engineering, le Université d’Oslo, l’Institut de technologie de Tokyo et Intel Co., le dernier article de Wenzcovitch détaille comment ils ont maintenant identifié le signal de croisement de spin de la ferropériclase, une transition de phase quantique au plus profond du manteau inférieur de la Terre. Ceci a été réalisé en examinant des régions spécifiques du manteau terrestre où la ferropériclase devrait être abondante. L’étude a été publiée le 8 octobre 2021 dans Communication Nature.
« Cette découverte passionnante, qui confirme mes prédictions précédentes, illustre l’importance pour les physiciens des matériaux et les géophysiciens de travailler ensemble pour en savoir plus sur ce qui se passe au plus profond de la Terre », a déclaré Wentzcovitch.
La transition de spin est couramment utilisée dans des matériaux tels que ceux utilisés pour l’enregistrement magnétique. Si vous étirez ou comprimez quelques couches d’un matériau magnétique d’une épaisseur de quelques nanomètres, vous pouvez modifier les propriétés magnétiques de la couche et améliorer les propriétés d’enregistrement du support. La nouvelle étude de Wentzcovitch montre que le même phénomène se produit sur des milliers de kilomètres à l’intérieur de la Terre, allant de l’échelle nano à l’échelle macro.
«De plus, des simulations géodynamiques ont montré que le croisement de spin dynamise la convection dans le manteau terrestre et le mouvement des plaques tectoniques. Nous pensons donc que ce phénomène quantique augmente également la fréquence des événements tectoniques tels que les tremblements de terre et les éruptions volcaniques », note Wentzcovitch.
Il y a encore de nombreuses régions du manteau que les chercheurs ne comprennent pas et le changement d’état de spin est essentiel pour comprendre les vitesses, les stabilités de phase, etc. Wentzcovitch continue d’interpréter les cartes tomographiques sismiques en utilisant les vitesses sismiques prédites par ab initio calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Elle développe et applique également des techniques de simulation de matériaux plus précises pour prédire les vitesses sismiques et les propriétés de transport, en particulier dans les régions riches en fer, en fusion ou à des températures proches de la fusion.
« Ce qui est particulièrement excitant, c’est que nos méthodes de simulation des matériaux sont applicables aux matériaux fortement corrélés – multiferroïques, ferroélectriques et matériaux à haute température en général », déclare Wentzcovitch. « Nous pourrons améliorer nos analyses des images tomographiques 3D de la Terre et en savoir plus sur la façon dont les pressions écrasantes de l’intérieur de la Terre affectent indirectement nos vies au-dessus, à la surface de la Terre. »
Référence : « Expression sismologique du croisement de spin de fer dans la ferropériclase dans le manteau inférieur de la Terre » par Grace E. Shephard, Christine Houser, John W. Hernlund, Juan J. Valencia-Cardona, Reidar G. Trønnes et Renata M. Wentzcovitch, 8 Octobre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-26115-z
