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Des scientifiques ont découvert un nouveau noyau au centre de la Terre

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À mon époque, il n’y avait que quatre couches sur Terre : la croûte, le manteau, le noyau externe liquide et le noyau interne solide. Maintenant, les scientifiques ont découvert une nouvelle couche distincte dans le noyau interne de notre planète, qui pourrait aider à informer l’évolution du champ magnétique terrestre.

dans une nouvelle étude Sortie cette semaineUne paire de sismologues de l’Université nationale australienne a documenté de nouvelles preuves d’une boule de métal solide de 400 milles d’épaisseur au centre du noyau interne de la Terre – comme la plus petite statue d’un groupe de poupées russes colossales nichant sur une planète. La nouvelle couche est constituée d’un alliage de fer et de nickel, comme les autres parties du noyau. L’étude a révélé qu’il a une structure cristalline différente qui fait rebondir les ondes de choc des tremblements de terre à travers la couche à des vitesses différentes de celles du noyau environnant.

« Il est clair que le noyau interne le plus interne a quelque chose de différent de la couche externe », a déclaré Than-Soon Pham, auteur principal de l’étude. Nous pensons que les atomes sont la voie [packed] Dans ces deux régions sont légèrement différentes.« 

Les chercheurs étudient le noyau interne pour mieux comprendre le champ magnétique terrestre, qui nous protège des rayonnements nocifs dans l’espace et contribue à rendre la vie possible sur notre planète. Les géophysiciens pensent que le noyau interne peut avoir formé moins de il y a un milliard d’années, qui est relativement jeune à l’échelle des temps géologiques. Auteurs de l’étude Expliquer Le noyau interne se développe vers l’extérieur en solidifiant le matériau du noyau externe liquide, en libérant de la chaleur et en créant des courants de convection. Cette convection génère le champ magnétique terrestre.

Le noyau interne de la Terre semble ralentir sa rotation

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Découvert en 1936 par la sismologue danoise Inge Lehmann, le noyau interne représente moins de 1 % du volume de la Terre (le centre de la Terre se trouve à environ 4 000 milles sous la surface). Cependant, la distance sous la surface et sa petite taille rendent difficile pour les scientifiques de le mesurer avec des mesures directes, alors ils étudient plutôt les ondes de choc générées par les tremblements de terre.

Lorsqu’un grand tremblement de terre frappe, a déclaré Pham, les ondes de choc résultantes, ou ondes sismiques, peuvent rebondir d’un côté à l’autre de la Terre comme une balle de ping-pong. Les ondes sismiques se déplacent à des vitesses différentes à travers les différentes couches de la terre en fonction de leur densité, de leur température et de leur composition. Comme un radiologue étudiant les organes internes d’un patient, les scientifiques utilisent des instruments connus sous le nom de sismomètres dans le monde entier pour mesurer ces oscillations et en apprendre davantage sur le fonctionnement interne de notre Terre.

il y a vingt ans, les chercheurs ont utilisé des données sismographiques et ont suggéré l’existence d’une cinquième couche. Depuis lors, a déclaré Pham, les preuves d’un noyau interne plus profond sont « devenues plus fortes au fil du temps avec de plus en plus de données ». Mais sa nouvelle étude va plus loin, analysant des données sans précédent pour un sismographe.

« La percée de cette étude est que nous avons trouvé une nouvelle façon d’échantillonner le centre du noyau interne de la Terre », a déclaré Pham. Il a dit que l’équipe a plus de preuves pour montrer que « le noyau interne le plus profond existe bel et bien ».

Dans la nouvelle étude, l’équipe a observé plusieurs tremblements de terre traversant le diamètre de la Terre – parfois jusqu’à cinq fois – quelque chose que les chercheurs n’ont pas enregistré « dans l’histoire de la sismologie », a déclaré Pham, qui note que les études précédentes n’ont documenté qu’un seul rebond. Ils ont découvert que les ondes sismiques traversaient le noyau interne à des vitesses différentes de celles qu’elles traversaient dans le noyau environnant, selon la direction de l’onde.

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Plus précisément, les ondes traversant le noyau interne le plus interne ralentissaient lorsqu’elles s’approchaient à un angle oblique par rapport à l’équateur. Pendant ce temps, les ondes traversant le noyau interne externe ralentissaient lorsqu’elles passaient le long de l’équateur.

Pham a déclaré que la vitesse varie probablement en fonction de la direction de l’onde en raison d’une propriété physique connue sous le nom d’anisotropie, qui permet à la matière d’avoir des propriétés différentes dans différentes directions. Nous voyons généralement de l’anisotropie dans le bois, et il est plus facile de couper dans le sens du grain que dans le sens contraire.

Pham a admis que le caractère unique de ce noyau le plus profond est subtil et pas aussi net que les autres couches. Par exemple, si vous voyagiez du manteau au noyau externe, vous passeriez d’un solide à un liquide et feriez l’expérience de différentes compositions chimiques. Mais si vous voyagez du noyau interne au noyau le plus interne, vous verrez une transition dans la structure cristalline mais le même alliage de fer et de nickel.

L’idée d’un noyau interne plus profond a déjà été proposée, a déclaré le géophysicien John Tarduno, qui n’a pas participé à la recherche, mais ces nouvelles données renforcent considérablement l’hypothèse selon laquelle « il existe en fait un noyau interne plus profond avec une structure différente de celle le noyau interne externe. »

« L’existence de ce noyau interne plus profond nous fait réfléchir à la façon dont il s’est formé », a déclaré Tarduno, professeur de géophysique à l’Université de Rochester. Les auteurs de l’étude ont déclaré que la formation du noyau interne plus profond pourrait être la preuve d’un « événement mondial important du passé » qui a conduit à un changement du noyau interne de la Terre.

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Tarduno, qui étudie comment se forme le noyau interne, a sa propre idée. Ses recherches suggèrent que la formation de ce noyau interne le plus profond pourrait être liée à un changement dans la tectonique des plaques il y a des centaines de millions d’années. Vraisemblablement, d’anciennes plaques épaisses de croûte océanique ont coulé jusqu’à ce qu’elles s’accumulent à la base du manteau, affectant la façon dont la chaleur s’écoulait du noyau. Cela a ensuite changé la façon dont le noyau interne s’est développé.

Tarduno a déclaré que cette « nouvelle analyse est passionnante car elle soutient le cas » du mécanisme de sa propre tectonique des plaques.

a déclaré Tarduno, qui a publié ses conclusions L’année dernière.

Apprendre les origines des couches internes du noyau, ont déclaré Tarduno et Pham, peut nous aider à mieux comprendre comment le champ magnétique s’est formé – et, à son tour, comment la vie peut survivre sur Terre et sur d’autres planètes.

« La formation du noyau interne était très importante pour établir une planète habitable à long terme car le noyau interne alimentait le champ magnétique, qui sert à fournir un blindage magnétique », a déclaré Tarduno. « Sinon, nous aurions progressivement perdu de l’eau de la planète. »

En savoir plus sur la façon dont le noyau interne peut, à son tour, nous aider à en savoir plus sur la façon dont d’autres planètes peuvent ou non être habitables.« 

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil
Brasilia :

Un scientifique brésilien a découvert des fossiles de petits reptiles ressemblant à des crocodiles qui vivaient pendant la période du Trias, des millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

Les fossiles du prédateur, appelé Parvosuchus aureloi, comprennent un crâne complet, 11 vertèbres, un bassin et quelques os de membres, selon le paléontologue Rodrigo Muller de l’Université fédérale de Santa Maria dans l’État de Rio Grande, auteur de la recherche publiée jeudi. Journal des rapports scientifiques.

Parvosuchus, qui vivait il y a environ 237 millions d’années, marchait sur quatre pattes et mesurait environ un mètre de long et se nourrissait de reptiles plus petits. Les fossiles ont été découverts dans le sud du Brésil. Parvosuchus, qui signifie « petit crocodile », appartient à une famille éteinte de reptiles appelée Gracilissuchidae, qui jusqu’à présent n’était connue qu’en Argentine et en Chine.

« Les Gracilisuchidae sont des organismes extrêmement rares dans le monde paléontologique », a déclaré Mueller à Reuters. « Ce groupe est particulièrement intéressant car ils vivaient juste avant l’aube des dinosaures. Les premiers dinosaures vivaient il y a 230 millions d’années. »

Parvosuchus était un prédateur terrestre. Gracili suchidae représente l’une des branches les plus anciennes de la lignée connue sous le nom de Pseudosuchia qui comprenait plus tard la branche alligator.

Parvosuchus a vécu à une époque d’innovation évolutive à la suite de la pire extinction massive sur Terre il y a 252 millions d’années, avec plusieurs groupes de reptiles en compétition avant que les dinosaures ne deviennent finalement dominants. Les derniers membres des Gracilisuchidae ont incontestablement disparu environ sept millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

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(Cette histoire n’a pas été éditée par le personnel de NDTV et est générée automatiquement à partir d’un flux syndiqué.)

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Une image plus complète de la façon dont les molécules d’eau excitées lorsqu’elles interagissent avec l’air perdent leur énergie a été révélée par les scientifiques de RIKEN dans une étude. publié Dans le magazine Communications naturelles. Ce résultat sera précieux pour mieux comprendre les processus se produisant à la surface de l’eau.

L’eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que prévu, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l’eau proviennent des liaisons faibles qui se forment et se brisent constamment entre les molécules d’eau voisines. Ces liaisons, appelées liaisons hydrogène, surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. Ainsi, l’oxygène légèrement négatif d’une molécule est attiré vers les atomes d’hydrogène légèrement positifs des autres molécules.

Mais un petit segment de molécules d’eau – celles à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui dépasse dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’était capable de comprendre comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. En effet, il est très difficile d’isoler le signal de ces molécules.

« Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d’eau dans un corps liquide, mais notre compréhension des molécules d’eau à l’interface est loin derrière », explique Tahi Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques spectroscopiques très sophistiquées pour explorer les interactions des molécules d’eau sur les surfaces.

L’équipe a maintenant développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge, suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène dans les molécules d’eau de surface se relâchent.

Grâce à cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène et hydrogène coincées dans l’air tournent en premier sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite d’une manière similaire aux molécules d’un corps liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

« En ce sens, il n’y a pas beaucoup de différence entre les molécules à l’interface et à l’intérieur du liquide après avoir interagi avec leurs voisines, car elles partagent toutes deux le même processus de relaxation », explique Tahara. « Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène se détendent à la surface de l’eau. »

Tahara et son équipe ont désormais l’intention d’utiliser leur technique spectroscopique pour observer les réactions chimiques qui se produisent à l’interface de l’eau.

Plus d’information:
Woongmo Sung et al., Profil de relaxation vibratoire unifié de l’étirement de l’OH à l’interface air/eau, Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Informations sur les magazines :
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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Supraconductivité à haute température : exploration du couplage électron-phonon en quadrature

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

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Une image conceptuelle de la formation des pôles quantiques. Les boules bleues représentent les ions chargés positivement dans le réseau matériel et les deux points rouges représentent les paires de Cooper. Crédit : Pavel A. Volkov.

Nouvelle étude publié dans Lettres d’examen physique (PRL) explore le potentiel du couplage électron-phonon en quadrature pour améliorer la supraconductivité grâce à la formation de dipôles quantiques.

Le couplage électron-phonon est l’interaction entre les électrons et les vibrations dans un réseau appelé phonons. Cette interaction est cruciale pour la supraconductivité (conductivité électrique sans résistance) de certains matériaux car elle facilite la formation de paires de Cooper.

Les paires de Cooper sont des paires d’électrons liés entre eux via des interactions attractives. Lorsque ces paires de Cooper se condensent dans un état cohérent, nous obtenons des propriétés supraconductrices.

Le couplage électron-phonon peut être classé en fonction de sa dépendance au déplacement du phonon, c’est-à-dire la quantité de vibration du réseau. Le cas le plus courant est celui où la densité électronique est couplée linéairement aux déplacements du réseau, provoquant une distorsion du réseau pour entourer chaque électron.

Les chercheurs voulaient étudier si la supraconductivité des matériaux présentant un couplage quadratique pouvait être améliorée lorsque l’énergie d’interaction est proportionnelle au carré du décalage des phonons.

Phys.org s’est entretenu avec les co-auteurs de l’étude, Zhaoyu Han, Ph.D. Candidat à l’Université de Stanford et Dr Pavel Volkov, professeur adjoint au Département de physique de l’Université du Connecticut.

Parlant de sa motivation derrière la poursuite de ces recherches, Hahn a déclaré : « L’un de mes rêves a été d’identifier et de proposer de nouveaux mécanismes qui pourraient aider à atteindre la supraconductivité à haute température. »

« La supraconductivité du titanate de strontium dopé a été découverte il y a plus de 50 ans, mais son mécanisme reste une question ouverte, les mécanismes classiques étant improbables. C’est pourquoi j’ai commencé à rechercher des mécanismes alternatifs de couplage électron-phonon », a déclaré le Dr Volkov.

Le couplage linéaire et ses défis pour la supraconductivité

Comme mentionné précédemment, le couplage peut être classé comme linéaire ou quadratique.

Le couplage linéaire fait référence au scénario dans lequel le couplage est proportionnel au déplacement des phonons. En revanche, le couplage quadratique dépend du carré du décalage des phonons.

Ils peuvent être identifiés grâce à l’étude de la symétrie de la matière, aux observations expérimentales et aux cadres théoriques. Cependant, leurs effets sur la supraconductivité semblent très différents.

Le couplage linéaire, qui apparaît dans la plupart des matériaux supraconducteurs, est largement étudié en raison de sa prévalence dans de nombreux matériaux et de son cadre théorique.

Cependant, les supraconducteurs conventionnels dotés d’un couplage électron-phonon linéaire sont confrontés à des limites. Ces matériaux ont une faible température critique, qui est la température en dessous de laquelle un matériau peut présenter une supraconductivité.

« Les températures critiques de ces supraconducteurs sont généralement inférieures à 30 Kelvin ou -243,15 degrés Celsius. Cela est dû en partie au fait que l’énergie de liaison et l’énergie cinétique de la paire Cooper sont considérablement supprimées dans les régimes de couplage faible et fort, respectivement », a expliqué Hahn.

Dans le cas d’un couplage faible, les interactions électron-phonon sont faibles en raison de la faible énergie de liaison. En couplage fort, les interactions sont plus fortes, conduisant à une augmentation de la masse effective des paires de Cooper, ce qui conduit à la suppression de la supraconductivité.

Cependant, la suppression entrave tout effort visant à améliorer les températures critiques dans de tels matériaux en augmentant simplement la force de couplage, encourageant les chercheurs à explorer des matériaux dotés d’un couplage électron-phonon quadratique, qui n’est pas bien compris.

Modèle Holstein et pôles quantiques

Le modèle Holstein est un cadre théorique utilisé pour décrire l’interaction entre les électrons et les phonons. Il a déjà été utilisé pour étudier la physique générale du couplage linéaire électron-phonon.

Les chercheurs ont étendu le modèle Holstein pour inclure le couplage électron-phonon en quadrature dans leur étude.

Le modèle Holstein aide à calculer des quantités telles que l’énergie de liaison des paires de Cooper et la température critique des supraconducteurs.

Dans les matériaux conventionnels, la liaison des électrons médiée par les phonons conduit à la formation de paires de Cooper.

L’interaction est linéaire, ce qui signifie que la force de couplage augmente avec l’amplitude des vibrations du réseau. Cette interaction peut être comprise à l’aide des principes de la physique classique et est bien étayée par des observations expérimentales telles que les effets isotopiques.

Dans le cas d’une conjonction quadratique, la situation est complètement différente. En étendant le modèle Holstein pour inclure la dépendance du second ordre du couplage au déplacement des phonons, les chercheurs ont pris en compte les fluctuations quantiques (mouvement aléatoire) des phonons et leur énergie du point zéro (l’énergie des phonons à 0 K ).

Les électrons interagissent avec les fluctuations quantiques des phonons, formant un « dipôle quantique ». Contrairement au couplage linéaire, l’origine des interactions attractives est la mécanique quantique pure.

La supraconductivité est dans la limite du couplage faible et fort

Les chercheurs ont découvert que lorsque l’interaction électron-phonon est faible, le mécanisme par lequel les électrons s’apparient pour former des paires de Cooper n’est pas efficace, comme dans le cas linéaire. Il en résulte une température critique plus basse qui peut être affectée par la masse des ions (effet isotopique), mais d’une manière différente que dans le cas linéaire.

En d’autres termes, la (basse) température critique d’une substance peut changer considérablement selon les différentes masses atomiques.

En revanche, lorsque les interactions électron-phonon sont fortes, nous obtenons la formation de dipôles quantiques, qui peuvent devenir supraconducteurs à une température déterminée par leur masse effective et leur densité.

En dessous de la température critique, les condensateurs bipolaires quantiques peuvent se déplacer librement sans perturber le cristal. Plus de mouvement conduit à un état supraconducteur, plus stable et ayant une température critique plus élevée. Contrairement au mécanisme linéaire, la masse dipolaire quantique n’est que légèrement améliorée par le couplage, ce qui permet des températures critiques plus élevées.

« Notre travail montre que ce mécanisme permet des températures de transition plus élevées, au moins pour un couplage fort. Ce qui est également positif, c’est que ce mécanisme ne nécessite aucune condition préalable particulière pour être efficace, et il existe des conditions tout à fait réalistes dans lesquelles il sera dominant », a-t-il déclaré. expliqué. Dr Volkov.

« Sur la base des constantes physiques fondamentales liées aux solides, une estimation optimiste de la température critique pouvant être atteinte par ce mécanisme pourrait être de l’ordre de 100 K », a prédit Hahn.

Travail futur

« Une implication possible, tout d’abord, serait une augmentation de la température de transition de la supraconductivité. La supraconductivité dépend également de manière sensible des propriétés des électrons ; par conséquent, pour obtenir un couplage fort, nous proposons l’utilisation de super-réseaux spécialement conçus pour les électrons. » Le Dr Volkov a expliqué.

Les chercheurs affirment que la prochaine étape, en théorie, consisterait à trouver le régime optimal de force de couplage pour la supraconductivité. Les chercheurs espèrent également que les expérimentateurs exploreront les matériaux de super-réseau présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques.

« Expérimentalement, la création de super-réseaux via la structuration ou l’utilisation d’interfaces entre des matériaux torsadés pourrait être une voie prometteuse pour atteindre le type de supraconductivité auquel nous nous attendons », a déclaré le Dr Volkov.

Hahn a également noté qu ‘ »il est important d’identifier les matériaux présentant de grands couplages électron-phonon quadratiques grâce à des calculs préliminaires, car cela n’a pas été systématiquement exploré ».

Plus d’information:
Zhaoyu Han et al., Supraconductivité dipolaire quantique à partir du couplage électron-phonon en quadrature, Lettres d’examen physique (2024). est ce que je: 10.1103/PhysRevLett.132.226001. sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2312.03844

Informations sur les magazines :
Lettres d’examen physique


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