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La meccanica quantistica all’interno del nucleo della Terra

Il diverso layout spaziale degli atomi nel reticolo del ferro e nel reticolo del nickel è responsabile del loro diverso comportamento fisico in condizioni estreme. La grafica colorata mostra la dispersione elettronica di nichel nella regione che è responsabile di questo comportamento. Credits: Michael Karolak

Senza un campo magnetico la vita sulla Terra sarebbe piuttosto scomodo: le particelle cosmiche passerebbero attraverso la nostra atmosfera in grandi quantità e danneggiare le cellule di tutti gli esseri viventi. I sistemi tecnici sarebbero malfunzionanti e in alcuni casi i componenti elettronici potrebbero essere completamente distrutti.

  Nonostante il suo enorme significato per la vita sul nostro pianeta, non è ancora pienamente conosciuto cosa crea il campo magnetico della Terra. Ci sono diverse teorie relative alla sua origine, ma molti esperti li considerano insufficienti o difettosi. Una scoperta fatta da scienziati di Würzburg potrebbe fornire un nuovo angolo esplicativo. I loro risultati sono stati pubblicati nell’attuale numero della rivista Nature Communications . Di conseguenza, la chiave dell’effetto potrebbe essere nascosta nella struttura speciale dell’elemento nichel.

Contraddizione tra teoria e realtà

“I modelli standard per i campi magnetici della Terra utilizzano valori per la conducibilità elettrica e termica dei metalli all’interno del nucleo del nostro pianeta, che non possono essere in grado di rappresentare la realtà”, dice Giorgio Sangiovanni; È professore presso l’Istituto di Fisica Teorica e Astrofisica dell’Università di Würzburg. Insieme allo studente PhD Andreas Hausoel e postdoc Michael Karolak, è responsabile della collaborazione internazionale che è stata pubblicata di recente. Tra i partecipanti vi sono Alessandro Toschi e Karsten Held di TU Wien, partner di cooperazione a lungo termine di Giorgio Sangiovanni e scienziati provenienti da Amburgo, Halle (Saale) e Yekaterinburg in Russia.

Al centro della Terra ad una profondità di circa 6.400 km, si ha una temperatura di 6.300 gradi centigradi e una pressione di circa 3.5 milioni di bar. Gli elementi predominanti, ferro e nichel, formano una sfera di metallo solido in queste condizioni che costituiscono il nucleo interno della Terra. Questo nucleo interno è circondato dal nucleo esterno, uno strato fluido composto principalmente da ferro e nichel. Il fluire di metallo liquido nel nucleo esterno può intensificare le correnti elettriche e creare il campo magnetico della Terra – almeno in base alla teoria geodinamica comune. “Ma la teoria è un po ‘contraddittoria”, dice Giorgio Sangiovanni.

Effetti di correlazione indotta da banda-struttura

“Questo è perché a temperatura ambiente il ferro differisce notevolmente dai metalli comuni come il rame o l’oro a causa della sua forte interazione elettro-elettronica efficace e fortemente correlata”, dichiara. Ma gli effetti della correlazione elettronica sono notevolmente attenuati alle temperature estreme prevalenti nel nucleo della Terra, in modo che le teorie convenzionali siano applicabili. Queste teorie prevedono quindi una conducibilità termica troppo elevata per il ferro che è in contrasto con la teoria della geodynamo.

Con il nichel le cose sono diverse. “Abbiamo trovato il nichel per mostrare un’anomalia distinta a temperature molto alte”, spiega il fisico. “Il nichel è anche un metallo fortemente correlato, a differenza del ferro, ciò non è dovuto alla sola interazione elettrone-elettrone, ma è principalmente causata dalla speciale struttura a nastro del nichel.” Abbiamo battezzato l’effetto “correlazione indotta da banda”. La struttura a banda di un solido è determinata solo dalla struttura geometrica degli atomi nel reticolo e dal tipo di atomo.

Ferro e nichel nel nucleo della Terra

“A temperatura ambiente, gli atomi di ferro si organizzeranno in modo che gli atomi corrispondenti si trovino agli angoli di un cubo immaginario con un atomo centrale al centro del cubo, formando una cosiddetta struttura a reticolo di bcc” aggiunge Andreas Hausoel. Ma aumento della temperatura e della pressione, questa struttura cambia: gli atomi si muovono più strettamente e formano un reticolo esagonale, che i fisici si riferiscono ad un reticolo hcp. Di conseguenza, il ferro perde gran parte delle sue proprietà correlate.

Ma non così con il nichel: “In questo metallo gli atomi sono più densamente accorpati nella struttura del cubo già nello stato normale e mantengono questo layout anche quando la temperatura e la pressione diventano molto grandi”, spiega Hausoel. Il comportamento fisico insolito del nickel in condizioni estreme può essere spiegato solo dall’interazione di questa stabilità geometrica e dalle correlazioni di elettroni che derivano da questa geometria. Nonostante il fatto che gli scienziati abbiano trascurato il nichel finora, sembra svolgere un ruolo importante nel campo magnetico della Terra.

Suggerimento decisivo dalla geofisica

I punti di forza all’interno della Terra non sono l’obiettivo principale della ricerca presso i Dipartimenti di Fisica teorica di stato solido dell’Università di Würzburg. Piuttosto Sangiovanni, Hausoel ei loro colleghi si concentrano sulle proprietà degli elettroni fortemente correlati a basse temperature. Essi studiano effetti quantici e cosiddetti effetti multi-particelle interessanti per la prossima generazione di elaborazione dati e dispositivi di memorizzazione di energia. I superconduttori ed i computer quantistici sono le parole chiave in questo contesto.

I dati provenienti da esperimenti non vengono utilizzati in questo tipo di ricerca. “Prendiamo le proprietà conosciute degli atomi come input, includono le intuizioni della meccanica quantistica e cerchiamo di calcolare il comportamento di grossi cluster di con questo”, ha detto Hausoel. Poiché tali calcoli sono molto complessi, gli scienziati devono fare affidamento su un supporto esterno come il supercomputer SUPERMUC presso il centro di supercalcolo Leibniz (LRZ) di Garching.

E qual è il nucleo della Terra che ha a che fare con questo? “Volevamo vedere come sono stabili le nuove proprietà magnetiche del nichel e li hanno trovati per sopravvivere a temperature molto elevate”, ha detto Hausoel. Le discussioni con i geofisici e ulteriori studi sulle leghe di ferro- nickel hanno dimostrato che queste scoperte potrebbero essere rilevanti per ciò che accade all’interno del nucleo della Terra.

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