دلیل افزایش زمین‌لرزه‌ها شاید تغییر فاز کوانتومی در اعماق زمین باشد
پژوهشگران موفق شدند انتقال فاز کوانتومی را به‌صورت گسترده در مواد تشکیل‌دهنده‌ی گوشته‌ی زمین شناسایی کنند که می‌تواند عامل افزایش پدیده‌هایی مانند زمین‌لرزه و آتشفشان باشد.
یک تیم چند رشته‌ای از فیزیکدانان مواد و ژئوفیزیکدانان پیش‌بینی‌های نظری، موفق شدند شبیه‌سازی‌ها و توموگرافی لرزه‌ای را برای یافتن انتقال چرخش در گوشته‌ی زمین ترکیب کنند و به نتایج جالب توجهی دست یابند.
محیط داخلی زمین، به‌ویژه در عمق زیاد بیش از 600 کیلومتر، همچنان رازهای زیادی دارد. هم‌اکنون پژوهشگران فقط تصویر برش‌نگاری (توموگرافی) این ناحیه را در اختیار دارند و برای تفسیر آن‌ها باید سرعت لرزه‌ای (صوتی) را در مواد معدنی تحت فشار و دمای بالا محاسبه کنند تا نقشه‌های سه‌بعدی ایجاد کرده و کانی‌شناسی و دمای محدوده‌های گوناگون را درک کنند.
در نتیجه هنگامی که گذار فازی در یک کانی روی می‌دهد، مانند تغییر ساختار کریستالی تحت فشار، دانشمندان تغییر سرعت را مشاهده می‌کنند که معمولا به‌صورت یک ناپیوستگی با شیب تند در سرعت لرزه‌ای است.
در سال 2003 دانشمندان در آزمایشگاه نوع جدیدی از تغییر فاز در کانی‌ها را مشاهده کردند که شامل تغییر اسپین اتم‌های آهن در فروپریکلاز (نوعی اکسید آهن) به‌عنوان دومین عنصر فراوان در گوشته‌ی زیرین زمین است. تغییر اسپین، یا اسپین کراس‌اوور فرآیندی است که می‌تواند در مواد معدنی تحت یک محرک خارجی مانند فشار یا دما رخ می‌دهد.
در سال‌های بعد گروه‌های تجربی و نظری این تغییر فاز را در «فروپریکلاز» (Ferropericlase) و «بریگمانیت» (Bridgmanite)، به‌عنوان فراوان‌ترین مواد گوشته‌ی پایینی زمین تأیید کردند. اما هیچ کس کاملا مطمئن نبود که این اتفاق چرا و کجا روی می‌دهد.
در سال 2006 «رناتا ونتسکوویچ» (Renata Wentzcovitch) استاد دانشگاه مهندسی کلمبیا نخستین مقاله‌ی خود را درباره‌ی فروپریکلاز منتشر کرد و نظریه‌ای برای تغییر اسپین در این کانی ارائه داد که نشان می‌دهد که این اتفاق در هزار کیلومتری گوشته‌ی پایینی رخ داده است.
از آن زمان ونتزکوویچ به‌عنوان استاد گروه فیزیک و ریاضیات کاربردی و علوم زمین و محیط زیست و پژوهشگر «رصدخانه‌ی زمین لامونت-دوهرتی» (Lamont-Doherty Earth Observatory) دانشگاه کلمبیا، به‌همراه گروه خود، 13 مقاله خود در این زمینه منتشر کرده است که به بررسی سرعت لرزه‌ای در هر شرایط ممکن از تغییر اسپین فروپریکلاز و بریگمانیت و پیش‌بینی خواص این کانی‌ها پس از تغییر می‌پردازد.
او که تحقیقاتش بر مطالعات مکانیک کوانتومی محاسباتی مواد در شرایط شدید متمرکز است، در سال 2014 پیش‌بینی کرد که چگونه می‌توان این پدیده‌ی تغییر اسپین را در تصاویر لرزه‌نگاری تشخیص داد اما لرزه‌شناسان همچنان نتوانستند آن را ببینند.
تصویر توموگرافی زمین؛ صفحات سرد و فرونشستی اقیانوسی به‌عنوان مناطق با سرعت زیاد در a و b دیده می‌شود و سنگ‌های مذاب داغ رو به بالا در c نشان داده شده است. صفخات و ستون‌ها در مدل‌های موج S یک سیگنال توموگرافی تولید می‌کنند اما در مدل‌های موج P سیگنال تا حدی از بین می‌رود.
Credit: Columbia Engineering
اکنون با همکاری یک تیم چندرشته‌ای از دانشگاه مهندسی کلمبیا، دانشگاه اسلو، مؤسسه‌ی فناوری توکیو و شرکت اینتل، ونتزکوویچ در مقاله‌ای جدید توضیح می‌دهد که آن‌ها چگونه سیگنال اسپین متغیر فروپریکلاز را شناسایی کرده‌اند که نشان‌دهنده‌ی یک انتقال فاز کوانتومی در اعماق گوشته‌ی زمین است. این موفقیت که نتایج آن 8 اکتبر 2021 در «نیچر کامیونیکیشنز» (Nature Communications) منتشر شده، با مشاهده‌ی مناطق خاصی در گوشته‌ی زمین که انتظار می‌رود در آن‌ها فروپریکلاز فراوان باشد، به‌دست آمده است.
ونتزکوویچ گفت: «این یافته‌ی هیجان‌انگیز که پیش‌بینی‌های قبلی من را تأیید می‌کند، اهمیت کار فیزیکدانان مواد و ژئوفیزیکدانان را برای کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی آنچه در اعماق زمین می‌گذرد، نشان می‌دهد.»
گذار اسپین معمولا در موادی که برای ضبط مغناطیسی استفاده می‌شوند، به‌کار می‌رود. اگر فقط به ضخامت چند نانومتر، لایه‌های یک ماده‌ی مغناطیسی را بکشید یا فشرده کنید، می‌توانید ویژگی‌های مغناطیسی لایه را تغییر داده و خواص آن را برای ضبط بهبود ببخشید. طبق مطالعه‌ی جدید ونتزکوویچ، همین پدیده در طول هزاران کیلومتر در داخل زمین روی می‌دهد و آن را از مقیاس نانو به مقیاسی عظیم می‌برد.
او گفت: «علاوه بر این، شبیه‌سازی‌های ژئودینامیکی (زمین‌پویایی) نشان داده است که تغییر اسپین مواد، پدیده‌ی همرفت را در گوشته‌ی زمین و حرکت صفحات تکتونیکی تقویت می‌کند. بنابراین ما فکر می‌کنیم که این پدیده کوانتومی همچنین باعث افزایش شمار رویدادهای زمین-ساختی مانند زمین‌لرزه و فوران آتشفشان می‌شود.»
هنوز مناطق زیادی از گوشته وجود دارد که پژوهشگران درک نمی‌کنند و شناسایی تغییر حالت اسپین برای درک سرعت‌ها، پایداری فاز و دیگر موارد در این محدوده‌ها ضروری است. بدین ترتیب ونتزکوویچ همچنان به تفسیر نقشه‌های توموگرافی لرزه‌ای با استفاده از سرعت‌های لرزه‌ای پیش‌بینی شده توسط محاسبات اولیه و بر اساس نظریه‌ی تابعی چگالی (Density Functional Theory) ادامه می‌دهد. او همچنین در حال توسعه و به‌کارگیری تکنیک‌های دقیق‌تر شبیه‌سازی مواد برای پیش‌بینی سرعت لرزه‌ای و ویژگی‌های حمل‌ونقل به‌ویژه در مناطق غنی از آهن مذاب، یا در دمای نزدیک به ذوب است.
ونتزکوویچ خاطرنشان کرد: «چیزی که بسیار هیجان‌انگیز است این است که روش‌های شبیه‌سازی مواد ما به‌طور کلی برای سیستم‌های همبسته‌ی قوی مانند مولتی‌فروتیک، فروالکتریک و مواد در دمای بالا قابل اجراست. ما می‌توانیم تجزیه‌وتحلیل خود را از تصاویر توموگرافی سه‌بعدی زمین بهبود ببخشیم و در مورد اینکه چگونه فشارهای خرد کننده‌ی داخلی زمین به‌طور غیرمستقیم بر زندگی ما در سطح زمین اثر می‌گذارد، اطلاعات بیشتری کسب کنیم.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از تغییرات کوانتومی مواد تشکیل‌دهنده‌ی گوشته‌ی زمین
Credit: Nicoletta Barolini/Columbia Engineering
منبع: SciTechDaily
