Khám phá vai trò của khoáng chất trong dẫn nhiệt

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm từ trường cao quốc gia (Mỹ) đang sử dụng chuyên môn của họ về các đặc tính điện tử của vật liệu để giải quyết một bí ẩn sâu bên trong Trái đất.

Một nhóm nghiên cứu do trợ lý nghiên cứu sinh sau đại học David Ho và giáo sư vật lý Vlad Dobrosavljevic từ Đại học bang Florida dẫn đầu, đã phát hiện ra cách một loại khoáng chất duy nhất có thể giúp dẫn nhiệt từ lõi Trái đất lên bề mặt.

Giáo sư Dobrosavljevic cho biết: "Trong điều kiện khắc nghiệt, những điều xảy ra mà bạn không ngờ tới, và đây là một ví dụ về điều kiện khắc nghiệt".

Khi một người di chuyển từ bề mặt Trái đất xuống qua lớp phủ bán rắn hướng tới lõi ngoài lỏng, các điều kiện trở nên khắc nghiệt. Nhiệt độ tăng vọt lên khoảng mức bằng một nửa nhiệt độ bề mặt của mặt trời và áp suất tăng lên mức cao hơn 1.200 lần so với nơi sâu sâu nhất của đại dương.

Trong những điều kiện này, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra những đặc tính bất thường của sắt monoxit, một loại khoáng chất được cho là có nhiều ở một số điểm dọc theo ranh giới giữa lớp phủ và lõi.

Nhà nghiên cứu Ho cho biết "Những đặc tính này nổi bật khi so sánh với tất cả các khoáng chất khác tồn tại sâu bên dưới lòng đất mà chúng ta biết".

Sử dụng dữ liệu địa chất và mô phỏng lý thuyết, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng gần ranh giới giữa lớp phủ và lõi ngoài của Trái đất, sắt monoxit đi vào trạng thái được gọi là trạng thái tới hạn lượng tử. Tại đó, sắt monoxit có đặc tính của cả chất cách điện và chất dẫn điện.

Nhà nghiên cứu Ho phân tích: "Vùng chuyển tiếp giữa lớp phủ và lõi là nơi mà điều này xảy ra. Điều này có thể tạo ra một con đường để nhiệt thoát ra khỏi lõi và đi lên qua lớp phủ và hướng tới bề mặt".

Ý nghĩa của việc truyền nhiệt qua sắt monoxit

Các nhà nghiên cứu tin rằng sắt monoxit có thể đóng vai trò như người gác cổng giữa lõi và lớp phủ của Trái đất. Vai trò “gác cổng” rất quan trọng vì khi cánh cổng đó mở ra và nhiệt thoát ra, nó có thể tác động đến mọi thứ trên bề mặt.

Giáo sư Dobrosavljevic cảnh báo: “Nếu nhiệt có thể trực tiếp truyền lên đến bề mặt, nó có thể gây ra chuyển động kiến ​​tạo, có thể gây ra núi lửa, động đất và cũng có thể ảnh hưởng đến từ trường của Trái đất”, đồng thời cho biết thêm: “Có những luồng nhiệt phát ra từ ranh giới lõi-lớp phủ hướng về bề mặt ngay dưới quần đảo Hawaii. Và chúng tôi tin rằng điều này là do những vùng sắt monoxit có kích thước lớn dẫn luồng nhiệt đủ lớn thoát ra và gây ra núi lửa”.

Nhóm nghiên cứu tin rằng những phát hiện này rất quan trọng để hiểu được các đặc tính của lớp phủ sâu của Trái đất và tác động của nó lên hành tinh. Giáo sư Dobrosavljevic cho biết: “Trong một số điều kiện khắc nghiệt, bạn sẽ thực sự ngạc nhiên khi ngay cả ở nhiệt độ rất cao như vậy, bạn vẫn có thể phát hiện ra các hiệu ứng lượng tử. Chúng tôi cho rằng áp suất là yếu tố chính giúp điều đó có thể xảy ra ở nhiệt độ như thế”.

Kết nối Vật lý và Khoa học Hành tinh

Giáo sư Dobrosavljevic bắt đầu phân tích sắt monoxit khi làm việc với con trai mình, Vasilije. Con trai của Dobrosavljevic là một nhà vật lý khoáng vật học tại Viện Khoa học Carnegie, người trước đây đã lấy bằng tiến sĩ tại Caltech. Vasilije nghiên cứu mối liên hệ giữa các tính chất vật lý ở quy mô nguyên tử và các quá trình địa vật lý ở quy mô hành tinh.

Tiến sĩ Vasilije cho biết: "Chúng tôi cùng với nhóm nghiên cứu từ Caltech, nhận ra rằng các vấn đề, đặc biệt trong lĩnh vực vật lý mà chúng tôi đã nghiên cứu trong vật lý trạng thái rắn tại MagLab, có thể được áp dụng để hiểu các tính chất của vật liệu sâu bên trong lòng đất. Quan điểm của Tiến sĩ Vasilije khẳng định: "Trái đất chỉ là một hệ thống vật lý khổng lồ".

Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications gần đây và được nêu bật trong mục "Tin tức và quan điểm" của tạp chí Nature Physics. Hiện tại, nhóm các nhà khoa học trên đang chuyển sang các câu hỏi mới do nghiên cứu nêu ra, nỗ lực nắm bắt tốt hơn các tính chất kỳ lạ của sắt monoxit và ý nghĩa của chúng đối với cuộc sống của tất cả chúng ta trên mặt đất.

Giáo sư Dobrosavljevic cho biết: "Chúng ta vẫn chưa biết nhiều về những gì đang diễn ra bên trong Trái đất, ngay tại độ sâu, áp suất và nhiệt độ này giữa lõi và lớp phủ". Theo Giáo sư, sử dụng vật lý tiên tiến để kiểm tra những độ sâu, áp suất và nhiệt độ cực độ đó, biết đâu chúng ta sẽ phát hiện được những điều bất ngờ dưới lòng đất.

Anh Tú