結合理論預測、模擬和地震斷層掃描，由材料物理學家和地球物理學家組成的多學科團隊正嘗試發現地球地幔中的自旋轉換。地球內部依然充滿很多謎團，尤其是在 660 公里以下的深度。
研究人員只有這個區域的地震斷層圖像，為了解釋這些圖像，他們需要計算高壓和高溫下礦物的地震（聲學）速度。通過這些計算，他們可以創建三維速度圖，並弄清所觀察到的區域的礦物學和溫度。當礦物中發生相變（例如在壓力下的晶體結構變化）時，科學家可以觀察到速度變化，通常是一個尖銳的地震速度不連續。
與來自哥倫比亞工程學院、奧斯陸大學、東京工業大學和英特爾公司的一個多學科團隊合作，哥倫比亞工程學院教授 Renata Wentzcovitch 的最新論文詳細介紹了他們現在如何確定鐵橄欖石自旋交叉信號，這是地球下層地幔深處的一個量子相變。這是通過觀察地球地幔中預計富含鐵橄欖石的特定區域而實現的。這項研究於 2021 年 10 月 8 日發表在《Nature Communications》上。
Wentzcovitch 表示：“這一令人興奮的發現，證實了我早先的預測，說明了材料物理學家和地球物理學家一起工作的重要性，以了解更多關於地球深處發生的事情”。
自旋轉換通常用於像磁記錄的材料。如果你僅僅拉伸或壓縮幾納米厚的磁性材料層，你就可以改變該層的磁性，改善介質的記錄特性。Wentzcovitch 的新研究表明，同樣的現象在地球內部數千公里的範圍內發生，將這一現象從納米級帶到了宏觀級。
Wentzcovitch 還表示：“此外，地球動力學模擬表明，自旋交叉激活了地球地幔中的對流和構造板塊運動。因此，我們認為這種量子現象也增加了地震和火山爆發等構造事件的頻率”。
研究人員對地幔的許多區域仍不了解，自旋狀態的變化對了解速度、相位穩定性等至關重要。Wentzcovitch 正在繼續使用基於密度泛函理論的自發計算所預測的地震速度來解釋地震斷層圖。她還在開發和應用更精確的材料模擬技術來預測地震速度和傳輸特性，特別是在富含鐵、熔化或溫度接近熔化的區域。
Wentzcovitch 表示：“特別令人興奮的是，我們的材料模擬方法適用於強相關材料–多鐵性、鐵電性，以及一般高溫下的材料。我們將能夠改進我們對地球三維斷層圖像的分析，並更多地了解地球內部的破碎壓力是如何間接地影響我們在地球表面的生活的”。