Без магнитного поля жизнь на Земле была бы довольно некомфортной: космические частицы в огромных количествах проходили бы через нашу атмосферу и повреждали клетки всех живых существ. Технические системы часто выходили из строя, а электронные компоненты в некоторых случаях могли полностью выйти из строя.
Несмотря на огромное значение для жизни на нашей планете, до сих пор до конца не известно, что создает магнитное поле Земли. Существуют различные теории его происхождения, но многие специалисты считают их недостаточными или ошибочными. Открытие, сделанное учеными из Вюрцбурга, может дать новый объяснительный угол. Их выводы были опубликованы в текущем выпуске журнала Nature Communications. Соответственно, ключ к эффекту мог быть скрыт в особом строении элемента никеля.
Противоречие между теорией и реальностью
«Стандартные модели магнитного поля Земли используют значения электро- и теплопроводности металлов внутри ядра нашей планеты, которые не соответствуют действительности», - говорит Джорджио Санджованни; он профессор Института теоретической физики и астрофизики Вюрцбургского университета. Вместе с аспирантом Андреасом Хаусоэлем и постдоком Майклом Каролаком он отвечает за недавно опубликованное международное сотрудничество. Среди участников - Алессандро Тоски и Карстен Хельд из Технического университета Вены, давние партнеры Джорджио Санджованни, а также ученые из Гамбурга, Галле (Заале) и Екатеринбурга в России.
В центре Земли на глубине около 6 400 км температура 6 300 градусов Цельсия и давление около 3.5 миллионов баров. Преобладающие элементы, железо и никель, образуют в этих условиях твердый металлический шар, составляющий внутреннее ядро Земли. Это внутреннее ядро окружено внешним ядром, жидким слоем, состоящим 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 эта теория несколько противоречива», - говорит Джорджио Санджованни.
Корреляционные эффекты, вызванные полосовой структурой
«Это связано с тем, что при комнатной температуре железо значительно отличается от обычных металлов, таких как медь или золото, из-за его сильного эффективного электрон-электронного взаимодействия. Оно сильно коррелирует», - заявляет он. Но эффекты электронной корреляции значительно ослабевают при экстремальных температурах, преобладающих в ядре Земли, так что общепринятые теории применимы. Затем эти теории предсказывают слишком высокую теплопроводность железа, что противоречит теории геодинамо.
С никелем дела обстоят иначе. «Мы обнаружили, что никель проявляет отчетливую аномалию при очень высоких температурах», - объясняет физик. «Никель также является металлом с сильной корреляцией. В отличие от железа, это происходит не только из-за электрон-электронного взаимодействия, но в основном из-за особой зонной структуры никеля. Мы окрестили эффект «корреляцией, индуцированной зонной структурой». Зонная структура твердого тела определяется только геометрическим расположением атомов в решетке и типом атома.
Железо и никель в ядре Земли
При комнатной температуре атомы железа располагаются таким образом, что соответствующие атомы расположены в углах воображаемого куба с одним центральным атомом в центре куба, образуя так называемую структуру решетки ОЦК, - добавляет Андреас Хаусоэль. Но по мере повышения температуры и давления эта структура меняется: атомы сближаются более тесно и образуют гексагональную решетку, которую физики называют ГПУ-решеткой. В результате железо теряет большинство своих коррелирующих свойств.
Но не так с никелем: «В этом металле атомы максимально плотно упакованы в кубическую структуру уже в нормальном состоянии. Они сохраняют эту компоновку, даже когда температура и давление становятся очень большими», - объясняет Хаусоэль.. Необычное физическое поведение никеля в экстремальных условиях можно объяснить только взаимодействием этой геометрической стабильности и электронных корреляций, происходящих из этой геометрии. Несмотря на то, что ученые до сих пор пренебрегали никелем, похоже, что он играет важную роль в магнитном поле Земли.
Решающий намек от геофизики
Происходящее внутри земного ядра не является фактическим объектом исследований кафедры теоретической физики твердого тела Вюрцбургского университета. Скорее Санджованни, Хаузоэль и их коллеги концентрируются на свойствах сильно коррелированных электронов при низких температурах. Они изучают квантовые эффекты и так называемые многочастичные эффекты, которые интересны для следующего поколения устройств обработки данных и хранения энергии. Ключевыми словами в этом контексте являются сверхпроводники и квантовые компьютеры.
Данные экспериментов в такого рода исследованиях не используются. «Мы берем известные свойства атомов в качестве входных данных, включаем в себя идеи квантовой механики и пытаемся рассчитать с их помощью поведение больших кластеров атомов», - говорит Хаусоэль. Поскольку такие вычисления очень сложны, ученым приходится полагаться на внешнюю поддержку, такую как суперкомпьютер SUPERMUC в Центре суперкомпьютеров Лейбница (LRZ) в Гархинге.
И при чем тут ядро Земли? «Мы хотели увидеть, насколько стабильны новые магнитные свойства никеля, и обнаружили, что они выдерживают даже очень высокие температуры», - говорит Хаусоэль. Обсуждения с геофизиками и дальнейшие исследования сплавов железа и никеля показали, что эти открытия могут иметь отношение к тому, что происходит внутри ядра Земли.