Το μικροσκόπιο διαμαντιών αποκαλύπτει την αργή ανίχνευση του αρχαίου φλοιού της Γης
Σε ένα τραπέζι μέσα στο μαγνητικά θωρακισμένο εργαστήριο του Ρότζερ Φου, ενός πλανητικού επιστήμονα στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, κάθεται ένα σεμνό τεχνητό που λέει βαθιές ιστορίες για το γεωλογικό παρελθόν. Το μικροσκόπιο κβαντικού διαμαντιού (QDM) αποτελείται από μερικά ηλεκτρομαγνητικά πηνία τυλιγμένα γύρω από μια κάμερα, ένα μικρό λέιζερ και κάτι που μοιάζει με μια διαφάνεια δείγματος με ροζ χρώμα. Ωστόσο, η τσουλήθρα δεν είναι γυάλινη. είναι ένα διαμάντι, ντοπαρισμένο με ελαττώματα ευαίσθητα σε μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον αισθητήρα διαμαντιού, το μικροσκόπιο μπορεί να χαρτογραφήσει τα πεδία που είναι αποτυπωμένα σε κόκκους βράχου σε κλίμακες μικρότερες από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας, επιτρέποντας στους γεωλόγους να πειράζουν την ιστορία που παραβλέπουν οι πιο χονδροειδείς τεχνικές.
Το εργαστήριο του Fu χρησιμοποιεί το μικροσκόπιο για να ανιχνεύσει μετεωρίτες για ενδείξεις σχετικά με τις πρώτες μέρες του Ηλιακού Συστήματος. καταγραφή βροχοπτώσεων πριν από χιλιάδες χρόνια από σταλακτίτες. και, όπως περιγράφεται αναλυτικά αυτή την εβδομάδα στο Science Advances , ανιχνεύστε μερικές από τις πρώτες κινήσεις των τεκτονικών πλακών της Γης σε αρχαίες λάβες. «Είναι μια εντελώς νέα αρχή στην επιστήμη της γης», λέει ο Fu. Και πιάνει. Το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών έχει πληρώσει για την ομάδα του Fu να κατασκευάσει μικροσκόπια στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ και στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, ενώ η NASA χρηματοδότησε ένα τρίτο στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT). Κατασκευάζει ένα άλλο για ένα ολλανδικό εργαστήριο. "Ο Roger υπήρξε ο σπουδαίος Johnny Appleseed των QDM", λέει ο Ronald Walsworth, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Maryland, College Park, ο οποίος πρωτοστάτησε στην τεχνολογία διαμαντιών πριν από περίπου 15 χρόνια.
Το μικροσκόπιο βασίζεται σε μικροσκοπικά ελαττώματα στο διαμάντι που δημιουργούνται όταν ένα άτομο αζώτου χτυπά δύο άνθρακες από το κρυσταλλικό πλέγμα. οι ακαθαρσίες υπάρχουν στη φύση, αλλά μπορούν επίσης να κατασκευαστούν. Το αποτέλεσμα είναι ένα κενό δίπλα στο άζωτο που παγιδεύει ηλεκτρόνια των οποίων οι κβαντικές καταστάσεις είναι ευαίσθητες:το φως λέιζερ, τα μικροκύματα και τα μαγνητικά πεδία μπορούν όλα να χειριστούν τα επίπεδα ενέργειας και τις καταστάσεις σπιν τους. Τα ελαττώματα διαμαντιού είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για τη φιλοξενία qubits, τα λογικά στοιχεία στους κβαντικούς υπολογιστές. Αλλά για πειράματα στη βασική φυσική, η μαγνητική ευαισθησία τους που προκαλεί τα μαλλιά θα μπορούσε να είναι ενοχλητική, λέει ο Walsworth. "Τότε αρχίσαμε να σκεφτόμαστε:"Αν είναι τόσο ευαίσθητο, ίσως αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό, όχι ένα σφάλμα;"» Ο Walsworth τελικά συνδέθηκε με τον Fu, ο οποίος ήταν πρόθυμος να εκμεταλλευτεί το χαρακτηριστικό.
Μια ανάλυση κρυστάλλων ζιρκονίου ηλικίας άνω των 4 δισεκατομμυρίων ετών από τους λόφους Jack στη Δυτική Αυστραλία παρείχε μια πρώιμη δοκιμή. Οι παραδοσιακές παλαιομαγνητικές μετρήσεις με χρήση υπεραγώγιμων αισθητήρων είχαν βρει αμυδρά πεδία διατηρημένα στα ζιργκόν, μια ένδειξη ότι η Γη είχε μαγνητικό πεδίο μισό δισεκατομμύριο χρόνια νωρίτερα από το αναμενόμενο. Αλλά οι υπεραγώγιμοι αισθητήρες μπορούσαν να μετρήσουν μόνο το μέσο πεδίο στα ζιργκόν, τα οποία είναι τόσο μικρά όσο κόκκοι σκόνης. Για να εξετάσει εξονυχιστικά τα δείγματα του Jack Hill σε πιο λεπτή κλίμακα, ο Fu τα τοποθέτησε στη διαφάνεια με το διαμάντι και φώτισε τη διαφάνεια με ένα πράσινο λέιζερ. Τα κέντρα κενής θέσης αζώτου, που δημιουργήθηκαν από τα ηλεκτρομαγνητικά πηνία, ανταποκρίθηκαν εκπέμποντας κόκκινο φως σε φωτεινότητα που εξαρτιόταν από τον μαγνητισμό του δείγματος.
Η λεπτότερη χωρική ανάλυση του QDM έδειξε ότι τα πεδία δεν προέρχονταν από το εσωτερικό των κρυστάλλων, αλλά από σιδερένια στεφάνια που είχαν σχηματιστεί, κατά πάσα πιθανότητα, πολύ αργότερα στην ιστορία τους. Τα χωράφια "δεν γεννιούνται με τα ζιργκόν", λέει ο Fu, τροφοδοτώντας τη συζήτηση σχετικά με τους ισχυρισμούς ενός αγρού 4 δισεκατομμυρίων ετών.
Τώρα, ο Φου και οι συνάδελφοί του έχουν εφαρμόσει την τεχνική σε άλλους βράχους από τη Δυτική Αυστραλία—τον Μελιτοφάγο Βασάλτη της ηλικίας 3,2 δισεκατομμυρίων ετών. Χρησιμοποιώντας παραδοσιακούς υπεραγώγιμους αισθητήρες, οι οποίοι εξακολουθούν να κερδίζουν το QDM για τη συνολική ευαισθησία, μέτρησαν τις εντάσεις του μαγνητικού πεδίου και τις κατευθύνσεις που καταγράφηκαν σε 235 δείγματα των πετρωμάτων. Αλλά δεν μπορούσαν να είναι σίγουροι ότι αυτά τα πεδία ήταν αρχέγονα:Κατά τη διάρκεια της ζωής του, ο Μελιτοφάγος Βασάλτης είχε αλλοιωθεί βαθιά και θαφτεί κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας, όπου το νερό και οι τεράστιες καταπονήσεις θα μπορούσαν να έχουν επιτρέψει σε μεταγενέστερες πηγές μαγνητισμού να τον μολύνουν. Εναπόκειτο στο QDM να συμπεράνει εάν το μαγνητικό του πεδίο ήταν ντόπιος ή μετανάστης.
Ο μαγνητικός χάρτης λεπτής κλίμακας που παρήγαγε το όργανο έδειξε ότι τα πεδία δεν προέρχονταν από κόκκους ορυκτών, αλλά από φωτοστέφανα γύρω τους, τα οποία είχαν σχηματιστεί υποβρύχια, σχεδόν αμέσως μετά την έξοδο της λάβας από τις ρωγμές στον πυθμένα της θάλασσας, λέει ο Alec Brenner, επικεφαλής συγγραφέας. των Εξελίξεων της Επιστήμης σπουδές και μεταπτυχιακός φοιτητής του Fu. «Τεχνικά αυτό σημαίνει ότι δεν σχηματίστηκαν με το βράχο», λέει. Αλλά για πρακτικούς λόγους, τα φωτοστέφανα ήταν εξίσου παλιά. η ομάδα μπορούσε να πει με σιγουριά ότι τα χωράφια ήταν 3,2 δισεκατομμυρίων ετών.
Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου της Γης βυθίζονται στο έδαφος σε γωνίες που αυξάνονται από τον ισημερινό στους πόλους. Έτσι, οι κατευθύνσεις πεδίου που διατηρούνται στα δείγματα Honeyeater αποκαλύπτουν το γεωγραφικό πλάτος στο οποίο σχηματίστηκε ο βασάλτης. Την περασμένη δεκαετία, μια άλλη ομάδα γεωλόγων ανέλυσε τον αρχαίο μαγνητισμό σε κοντινούς βράχους ηλικίας 3,35 δισεκατομμυρίων ετών για να δείξει ότι σχηματίστηκαν σε διαφορετικό «παλαιοπλάτος». Από τη διαφορά στα γεωγραφικά πλάτη, η ομάδα του Fu υπολόγισε ότι ο φλοιός της Γης μετακινούνταν, τουλάχιστον, περίπου 2 εκατοστά ετησίως κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου των 150 εκατομμυρίων ετών. "Αυτή είναι περίπου συγκρίσιμη με τη σύγχρονη κίνηση πλακών", λέει ο Brenner.
Το αποτέλεσμα "είναι από μόνο του ένα αρκετά επίτευγμα", λέει ο Jun Korenaga, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale, και προτείνει μελέτες ακόμη παλαιότερων πετρωμάτων θα μπορούσαν να εντοπιστούν όταν ξεκίνησαν οι τεκτονικές πλακών. Τα αξιόπιστα επιχειρήματα που βασίζονται στο πόσο γρήγορα ψύχθηκε η βρεφική Γη ξεκίνησαν από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, αμέσως μετά το σχηματισμό της Γης, έως πριν από 3 δισεκατομμύρια χρόνια. "Εάν μπορούν να ακολουθήσουν αυτήν την κατεύθυνση και να εμβαθύνουν στο χρόνο, αυτό θα ήταν ενδιαφέρον", λέει ο Korenaga.
Οι μετεωρίτες, χρονοκάψουλες από το πρώιμο ηλιακό σύστημα, είναι ένα άλλο φυσικό θέμα για το QDM, λέει ο Fu. Σε μια νέα μελέτη που έγινε αποδεκτή στο Journal of Geophysical Research:Planets Ο Fu χρησιμοποίησε το μικροσκόπιο για να μεγεθύνει τα θειούχα χείλη μιας κρυσταλλωμένης σταγόνας αρχέγονου τήγματος μέσα σε έναν μετεωρίτη που πιθανότατα σχηματίστηκε πέρα από τον Δία. Μόλις 100 μικρόμετρα πλάτους, οι ζάντες είναι πολύ μικρές για να απομονωθούν και να μετρηθούν παλαιότερες τεχνικές, αλλά το QDM αποκάλυψε έναν αδύναμο μαγνητισμό λειψάνων. Σε συνδυασμό με προηγούμενα μέτρα ενός ισχυρότερου πεδίου σε έναν μετεωρίτη που σχηματίστηκε πιο κοντά στον Ήλιο, το εύρημα δείχνει ότι πριν από 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, ο δίσκος του υλικού που προκάλεσε τους πλανήτες μπορεί να είχε ένα αποσπασματικό μαγνητικό πεδίο. Ο Fu λέει ότι δείχνει ότι ο μαγνητισμός, όχι μόνο η βαρυτική δυναμική, μπορεί να έπαιξε ρόλο στη συνένωση των πλανητών έξω από το δίσκο.
Πιο κοντά στο σπίτι, οι επιστήμονες έχουν από καιρό χρησιμοποιήσει σχηματισμούς σπηλαίων για να μετρήσουν τη βροχόπτωση, με βάση τις αναλογίες των ισοτόπων οξυγόνου που αφήνονται στους σταλακτίτες και τους σταλαγμίτες από τη διαρροή νερού. Αλλά οι αναλογίες ισοτόπων μπορεί να είναι ένας αναξιόπιστος δείκτης. Το νερό είναι επίσης γνωστό ότι εναποθέτει μικροσκοπικούς μαγνητικούς κόκκους που συλλέγονται από το έδαφος και τους βράχους, σε ποσότητες που ποικίλλουν ανάλογα με τις βροχοπτώσεις. Σε δείγματα που συλλέχθηκαν από το βραζιλιάνικο τροπικό δάσος, η ομάδα του Fu διαπίστωσε ότι το QDM φαίνεται ικανό να μετρήσει αυτές τις αφθονίες σιτηρών με την πάροδο του χρόνου ως υποκατάστατο για τις βροχοπτώσεις, λέει. Αυτό θα «ξεκλειδώσει μια εντελώς νέα πηγή δεδομένων σχετικά με τις προηγούμενες περιβαλλοντικές αλλαγές», λέει ο Joshua Feinberg, γεωλόγος στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, δίδυμες πόλεις.
Παρόλο που έχει μεταναστεύσει μόνο σε λίγα εργαστήρια μέχρι στιγμής, το QDM θα μπορούσε να γίνει το βασικό εργαλείο για την επίλυση αμφιλεγόμενων ισχυρισμών για παλαιομαγνητισμό, λέει η Claire Nichols, γεωλόγος στο MIT. Ο Nichols ανέφερε ότι βρήκε μαγνητικά πεδία σε πετρώματα ηλικίας 3,7 δισεκατομμυρίων ετών από τη Γροιλανδία - ένα ακόμη σημάδι ενός πρώιμου μαγνητικού δυναμό στη Γη. Ένας χάρτης QDM θα ενίσχυε αυτόν τον ισχυρισμό. "Τώρα πρόκειται να γίνει ο κανόνας του χρυσού", λέει.
