Квантовая механика в ядре Земли
Без магнитного поля жизнь на Земле была бы весьма некомфортной: космические частицы в больших количествах проходили бы через атмосферу, повреждая клетки всех живых существ. Технические системы часто выходили бы из строя, а электронные компоненты в некоторых случаях могли быть полностью разрушены.
Несмотря на огромное значение для жизни, до сих пор не до конца известно, что создаёт магнитное поле Земли. Существуют различные теории, но многие эксперты считают их недостаточными или ошибочными. Открытие учёных из Вюрцбурга может дать новое объяснение. Их выводы были опубликованы в текущем выпуске журнала Nature Communications. Согласно им, ключ к эффекту может быть скрыт в особой структуре элемента никеля.
Противоречие между теорией и реальностью
«Стандартные модели магнитного поля Земли используют значения электрической и теплопроводности металлов в ядре нашей планеты, которые не согласуются с реальностью», — говорит профессор Института теоретической физики и астрофизики Вюрцбургского университета Джорджо Санджованни. Вместе с аспирантом Андреасом Хаузёлем и постдоком Майклом Каролаком он руководил международной коллаборацией, опубликовавшей исследование.
В центре Земли, на глубине около 6400 км, температура составляет 6300 °C, а давление — около 3,5 млн бар. Преобладающие элементы, железо и никель, формируют твёрдый металлический шар, составляющий внутреннее ядро. Его окружает внешнее ядро — жидкий слой, состоящий в основном из железа и никеля. Течение жидкого металла во внешнем ядре может усиливать электрические токи и создавать магнитное поле Земли — по крайней мере, согласно общепринятой теории геодинамо. «Но теория несколько противоречива», — отмечает Санджованни.
Эффекты корреляции, индуцированные зонной структурой
«При комнатной температуре железо сильно отличается от обычных металлов, таких как медь или золото, из-за сильного эффективного электрон-электронного взаимодействия. Оно сильно коррелировано», — поясняет учёный. Однако эффекты электронной корреляции значительно ослабевают при экстремальных температурах земного ядра, что делает применимыми обычные теории. Эти теории предсказывают слишком высокую теплопроводность для железа, что противоречит теории геодинамо.
С никелем ситуация иная. «Мы обнаружили, что никель проявляет отчётливую аномалию при очень высоких температурах, — объясняет физик. — Никель также является сильно коррелированным металлом. Но в отличие от железа, это обусловлено не только электрон-электронным взаимодействием, а в основном особой зонной структурой никеля. Мы назвали этот эффект "корреляцией, индуцированной зонной структурой"».
Железо и никель в ядре Земли
«При комнатной температуре атомы железа располагаются так, что соответствующие атомы находятся в углах воображаемого куба с одним центральным атомом в центре, образуя так называемую ОЦК решётку», — добавляет Андреас Хаузёль. Однако с ростом температуры и давления эта структура меняется: атомы сближаются и образуют гексагональную решётку (ГПУ). В результате железо теряет большую часть своих коррелированных свойств.
Но с никелем этого не происходит: «В этом металле атомы уже в нормальном состоянии упакованы в кубической структуре максимально плотно. Они сохраняют эту упаковку даже при очень высоких температуре и давлении», — объясняет Хаузёль. Необычное физическое поведение никеля в экстремальных условиях можно объяснить только взаимодействием этой геометрической стабильности и электронных корреляций, возникающих из этой геометрии. Несмотря на то, что учёные до сих пор пренебрегали никелем, он, по-видимому, играет важную роль в магнитном поле Земли.
Решающая подсказка от геофизики
События в ядре Земли не являются основным фокусом исследований в Вюрцбургском университете. Санджованни, Хаузёль и их коллеги концентрируются на свойствах сильно коррелированных электронов при низких температурах, изучая квантовые эффекты для применения в устройствах обработки данных и хранения энергии следующего поколения.
«Мы берём известные свойства атомов, включаем данные квантовой механики и пытаемся рассчитать поведение больших скоплений атомов», — говорит Хаузёль. Обсуждения с геофизиками и дальнейшие исследования сплавов железо-никель показали, что эти открытия могут быть актуальны для понимания процессов в ядре Земли.