Aun con los avances científicos y el nivel tecnológico con el que se cuenta ahora, el interior de la Tierra es un misterio, el cual aumenta entre más profundo sea, pues hasta el momento solo existen imágenes tomográficas sísmicas, que para ser interpretadas necesitan el cálculo de velocidades sísmicas en minerales a altas presiones y temperaturas.

Es así como se pueden generar mapas de velocidad en 3D, averiguar la mineralogía y la temperatura de las regiones observadas.

“Cuando ocurre una transición de fase en un mineral, como un cambio de estructura cristalina bajo presión, los científicos observan un cambio de velocidad, generalmente una discontinuidad aguda de la velocidad sísmica”, explicó la facultad de ingeniería de la Universidad de Columbia.

En 2003 se logró observar un tipo novedoso de cambio de fase en dichos minerales, pues el comportamiento del espín en el hierro en la ferropericlasa era diferente. Según expertos de la universidad, esto se puede dar por un estímulo externo, como presión o temperatura.

Durante los siguientes años, grupos experimentales y teóricos confirmaron este cambio de fase tanto en la ferropericlasa como en la bridgmanita, la más abundante del manto inferior. Pero nadie estaba muy seguro de por qué o dónde estaba sucediendo esto.

Años más tarde, en 2006, la profesora de ingeniería de Columbia Renata Wentzcovitch publicó su primer artículo sobre ferropericlasa, proporcionando una teoría para el cruce de espín en este mineral.

Su teoría sugirió que sucedió a lo largo de mil kilómetros en el manto inferior. Desde entonces, Wentzcovitch, quien es profesor en el departamento de física aplicada y matemáticas aplicadas, ciencias de la tierra y el medioambiente, así como trabaja en el Observatorio Terrestre 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 de cruce de espín en ferropericlasa y bridgmanita, y prediciendo las propiedades de estos minerales a lo largo de este Transversal.

Mientras que en 2014 Wenzcovitch, cuya investigación se centra en estudios de mecánica cuántica computacional de materiales en condiciones extremas, en particular materiales planetarios, predijo cómo este fenómeno de cambio de espín podría detectarse en imágenes tomográficas sísmicas, los sismólogos aún no pudieron verlo.

Luego, en conjunto con un equipo multidisciplinario de Columbia Engineering, la Universidad de Oslo, el Instituto de Tecnología de Tokio e Intel Co., el último artículo de Wenzcovitch detalla cómo han identificado ahora la señal de cruce de espín de ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra.

Esto se logró al observar regiones específicas en el manto de la Tierra donde se espera que la ferropericlasa sea abundante. El estudio fue publicado el 8 de octubre de 2021 en Nature Communications .

“Este hallazgo emocionante, 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 está sucediendo en las profundidades de la Tierra”, dijo Wentzcovitch.

La institución educativa explicó que dicha transición de giro se usa comúnmente en materiales como los que se usan para la grabación magnética. Si estira o comprime 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.

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

“Además, 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 “, señala Wentzcovitch.

Todavía hay muchas regiones del manto que los investigadores no comprenden y el cambio de estado de giro es fundamental para comprender las velocidades, las estabilidades de fase, etc. Wentzcovitch continúa interpretando mapas tomográficos sísmicos utilizando velocidades sísmicas predichas por cálculos ab initio basados en la teoría 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, particularmente en regiones ricas en hierro, fundido o a temperaturas cercanas al punto de fusión.

“Lo que es especialmente interesante es que nuestros métodos de simulación de materiales son aplicables a materiales fuertemente correlacionados: multiferroicos, ferroeléctricos y materiales a altas temperaturas en general”, explicó la experta.

“Podremos mejorar nuestros análisis de imágenes tomográficas en 3D de la Tierra y aprender más sobre cómo las presiones aplastantes del interior de la Tierra están afectando indirectamente nuestras vidas en la superficie de la Tierra”, añadió.