Głęboko wewnątrz planet skalistych, takich jak Ziemia, zachowanie żelaza odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu ich właściwości i ewolucji. Niedawne przełomy w badaniach kwantowych umożliwiły naukowcom badanie właściwości kwantowych pierwiastków w ekstremalnych warunkach, dostarczając cennych informacji na temat historii Ziemi, aktywności sejsmicznej, a nawet potencjalnej możliwości zamieszkania na egzoplanetach.

Stan spinowy żelaza, będący właściwością kwantową jego elektronów, ma ogromny wpływ na jego zachowanie magnetyczne i reaktywność chemiczną. Badając stan spinowy żelaza, badacze mogą określić, czy występuje ono w postaci stopionej czy stałej, a także określić jego przewodność elektryczną. Jednak odtworzenie ekstremalnych warunków głęboko wewnątrz skalistych planet, znanych jako stopione krzemiany, okazało się trudne.

Pokonując te przeszkody, międzynarodowy zespół badaczy z Narodowego Laboratorium Akceleratorów SLAC Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Uniwersytetu Stanforda, Uniwersytetu Grenoble-Alpes, Laboratorium Zastosowań Intensywnych Laserów (LULI) i Uniwersytetu Stanowego w Arizonie wykorzystał technologię dużej mocy lasery i ultraszybkie promienie rentgenowskie do pomiaru stanu spinowego żelaza w skałach krzemianowych. Wyniki badania opublikowane w czasopiśmie Science Advances pokazują, że przy ekstremalnie wysokich ciśnieniach i temperaturach żelazo w dużej mierze przechodzi w stan niskiego wirowania, dzięki czemu jest mniej magnetyczne i bardziej stabilne.

Wyniki te potwierdzają tezę, że niektóre rodzaje stopionych skał mogą być stabilne głęboko w Ziemi i na innych skalistych planetach, potencjalnie pomagając w tworzeniu pól magnetycznych. Konsekwencje tych badań wykraczają poza zrozumienie ewolucji Ziemi; pomaga także w interpretacji sygnałów sejsmicznych i badaniu egzoplanet.

Badanie rzuca również światło na wczesną historię Ziemi, szczególnie na okres około 4,3–4,5 miliarda lat temu, kiedy planeta była przedmiotem intensywnego bombardowania asteroidami. Uderzenia te wyzwoliły ogromne ilości ciepła, które mogło stopić zewnętrzne warstwy Ziemi i stworzyć głęboki ocean stopionej skały.

Pod ogromnym ciśnieniem tych uderzeń stopiona skała może stać się gęstsza niż skała stała, opaść do jądra i odcisnąć chemiczne ślady tamtej epoki. Niektórzy eksperci uważają, że pozostałości tej starożytnej warstwy magmy mogą nadal istnieć, uwalniając swoje ślady chemiczne przez wulkany takie jak te na Hawajach. Pozwala to naukowcom zajrzeć w odległą przeszłość Ziemi i zdobyć bezcenne informacje na temat jej powstawania i ewolucji.

„Stawiamy hipotezę, że te starożytne sygnatury chemiczne zachowały się podczas erupcji wulkanów” – mówi Arianna Gleason, badaczka i badaczka z SLAC. „Badanie tych sygnatur może dostarczyć nam cennych informacji na temat wczesnej historii Ziemi i pomóc w ułożeniu zagadki ewolucji naszej planety”.

Możliwość badania właściwości kwantowych pierwiastków w ekstremalnych warunkach nie tylko poprawia naszą wiedzę o Ziemi, ale także otwiera nowe możliwości badania egzoplanet. Analizując stany spinowe pierwiastków na egzoplanetach, naukowcy mogą uzyskać wgląd w ich potencjał do podtrzymywania życia.

Ostatnie przełomy w badaniach kwantowych umożliwiły naukowcom badanie właściwości kwantowych pierwiastków w ekstremalnych warunkach, zapewniając głęboki wgląd w historię Ziemi, aktywność sejsmiczną i badania egzoplanet. Odkrywając tajemnice stanu wirowania żelaza, badacze odkrywają tajemnice powstawania, ewolucji i potencjalnej możliwości zamieszkania na naszej planecie.