Quantenphysik im Erdmantel

In einer Tiefe von 650 bis 2800 Kilometern, im so genannten unteren Erdmantel, beeinflussen Quanteneffekte im Eisen die Eigenschaften des Gesteins stärker als bislang gedacht. Zu diesem Schluss kommt ein Team amerikanischer Forscher nach Hochdruckexperimenten mit dem eisenhaltigen Mineral Ferroperiklas.

Washington (USA) - Demnach könnte es im unteren Erdmantel eine ausgedehnte Übergangszone geben, in der sich die Materiedichte und die Ausbreitungsgeschwindigkeit von seismischen Wellen erheblich ändern. Das könnte auch bedeuten, dass die aus der Interpretation seismologischer Daten gewonnenen Modelle vom inneren Aufbau unseres Planeten revidiert werden müssen, so die Forscher im Fachblatt "Science".

"Je tiefer man kommt, desto größer werden Druck und Temperatur", erläutert Viktor Struzhkin vom Geophysical Laboratory der Carnegie Institution of Washington. "Unter diesen extremen Verhältnissen kommen sich die Atome und Elektronen in dem Gestein sehr nahe und beginnen, sich seltsam zu verhalten. So bilden bestimmte Elektronen im Eisen Paare." Und diese Paare können energetisch unterschiedliche Zustände einnehmen, je nachdem, ob ihr quantenmechanischer Spin -- eine Art Eigendrehung der Elementarteilchen -- parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet ist. Ändert sich dieser Spinzustand, so ändern sich auch die Materialeigenschaften wie Dichte, Schallgeschwindigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

Struzhkin und seinen Kollegen ist es jetzt erstmals gelungen, das Mineral Ferroperiklas -- ein Mischkristall aus Magnesium- und Eisenoxid -- unter Bedingungen zu untersuchen, die mit denen im unteren Erdmantel vergleichbar sind. Dazu haben sie das Mineral in einer Diamantstempelzelle unter einen Druck von bis zu 940.000 Atmosphären gesetzt und mit einem Laser auf bis zu 1730 Grad Celsius erhitzt. Dabei zeigte sich, dass der Übergang der Spinzustände in einem unerwartet großen Druckbereich auftritt. "Das deutet darauf hin, dass die Spin-Übergangszone sich über einen Bereich von 1000 bis 2200 Kilometern Tiefe erstreckt", so Struzhkin.

Frühere Untersuchungen hatten dagegen vermuten lassen, dass die Übergangszone sehr dünn ist. Allerdings waren diese Untersuchungen zwar mit hohen Drücken, aber nur bei normaler Raumtemperatur durchgeführt worden. Noch ist allerdings unklar, wie sich eine breitere Übergangszone konkret auf die Interpretation der seismologischen Daten und damit auf die Modelle vom Erdaufbau auswirkt. Denn Ferroperiklas ist lediglich das zweithäufigste Mineral im unteren Erdmantel. "Das am häufigsten vorkommende Mineral Perowskit wurde bislang mit unserer Methode nicht untersucht", sagt Struzhkin, "aber wir sind sicher, dass eine solche Untersuchung uns weitere Überraschungen liefern wird."