Un fenómeno cuántico en las profundidades de la Tierra aumenta los terremotos y erupciones volcánicas

Una investigación internacional liderada por la Universidad de Columbia (NY) ha descubierto transiciones de fase cuánticas a escala global en uno de los minerales que forman el núcleo interno de la Tierra: a más de 660 kilómetros de profundidad, ese fenómeno cuántico oprime las masas tectónicas y aumenta los terremotos y erupciones volcánicas por todo el planeta.

El interior de la Tierra es un misterio, especialmente a grandes profundidades: son regiones que están situadas a más de 660 kilómetros por debajo de la superficie terrestre.

Estamos hablando del manto inferior del planeta, constituido principalmente de bridgmanita, ferropericlasa y perovskita de silicato de calcio.

El manto inferior comienza a los 660 kilómetros de profundidad y llega hasta los 2.900 kilómetros, que es donde se inicia el núcleo externo.

Son regiones inexpugnables: hasta ahora solo hemos podido penetrar 12,3 kilómetros de profundidad por debajo de la superficie terrestre (pozo superprofundo de Kola).

Para conocer lo que pasa en esas regiones profundas, los investigadores solo disponen de imágenes tomográficas sísmicas de esta región: para interpretarlas, necesitan calcular las velocidades sísmicas (acústicas) en 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: permiten comprender mejor los terremotos y erupciones volcánicas que ocurren en la superficie.

Una de las cosas que pasan con la materia son las así llamadas transiciones de fase, sumamente importantes para determinar la naturaleza y dinámica de los materiales.

Las transiciones de fase ocurren cuando la materia cambia: por ejemplo, de estado sólido a líquido o gaseoso. Y también cuando un sólido cristalino deja de ser homogéneo y rompe la simetría traslacional (pierde su identidad anterior).

Las transiciones de fase son acontecimientos frecuentes, pero cuando la transición ocurre a temperatura cero o muy baja, se conoce como transición de fase cuántica: en ella los efectos cuánticos predominan.

Las partículas cuánticas que forman los materiales tienen propiedades específicas como la energía, el momento, el momento angular, el espín (momento angular intrínseco del electrón), y están expuestas a transiciones de fase en determinadas condiciones.

Cuando en un mineral se produce un cambio de su estructura cristalina bajo presión, los científicos observan generalmente una discontinuidad aguda de la velocidad sísmica o acústica que les aporta información sobre la dinámica telúrica.

En 2003, los científicos observaron por primera vez en un laboratorio un tipo novedoso de cambio de fase en los minerales: un cambio de espín en el hierro de la ferropericlasa, una variedad de la forma mineral del óxido de magnesio llamada periclasa, que es el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra.

Un cambio de espín, o cruce de espín, puede ocurrir en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo, como presión o temperatura.

En los últimos años, grupos experimentales y teóricos han confirmado en laboratorio este cambio de fase cuántica, tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, una mezcla muy densa de silicatos de hierro y magnesio, que es el mineral más abundante en el manto inferior de la Tierra.

En 2006, la profesora de ingeniería de Columbia, la brasileña Renata Wentzcovitch, publicó su primer artículo sobre ferropericlasa, proporcionando una teoría para el cruce de espín en este mineral: sugirió que esa transición de fase cuántica se está produciendo a lo largo de mil kilómetros del manto inferior.

En 2014, Wenzcovitch predijo cómo este fenómeno de cambio de espín podría detectarse en imágenes tomográficas sísmicas, pero los sismólogos no pudieron comprobarlo.

El último artículo de Wenzcovitch, publicado en Nature Communications, detalla cómo ha identificado ahora la señal de cruce de espín en la ferropericlasa, una transición de fase cuántica cuando ocurría en las profundidades del manto inferior de la Tierra.

Lo logró al observar regiones específicas en el manto de la Tierra donde se piensa que la ferropericlasa es abundante.

La transición de giro se usa comúnmente en materiales como los que se usan para la grabación magnética. Si se estiran o comprimen solo unas pocas capas de un material magnético de un grosor de nanómetros, puede cambiar las propiedades magnéticas de la capa y mejorar las propiedades de grabación del medio, explican los investigadores.

El nuevo estudio de Wentzcovitch demuestra que el mismo fenómeno ocurre a lo largo de miles de kilómetros en el interior de la Tierra, llevando este fenómeno de la nano a la macroescala.

“Las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín vigoriza la convección en el manto de la Tierra y el movimiento de las placas tectónicas. Entonces pensamos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de eventos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas”, explica Wentzcovitch en un comunicado.

Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprendemos y el cambio de estado de giro del espín es fundamental para conocer las velocidades, las estabilidades de fase, etc. de los materiales que lo componen, destacan los autores de esta investigación.

Este descubrimiento abre nuevos caminos para penetrar en lo inexpugnable de las profundidades de la Tierra, ya que sus métodos de simulación se pueden aplicar a otros materiales presentes también en el interior terrestre, añaden los científicos.

Eso supone que hemos aumentado la capacidad de analizar imágenes tomográficas 3D de la Tierra y de conocer mejor cómo esas transiciones de fase cuánticas, que ejercen presiones aplastantes en el interior del planeta, afectan indirectamente a nuestras vidas en la superficie.

Referencia

Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the Earth’s lower mantle. Grace E. Shephard et al. Nature Communications volume 12, Article number: 5905 (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26115-z

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