Sans champ magnétique, la vie sur Terre serait plutôt inconfortable :les particules cosmiques traverseraient notre atmosphère en grande quantité et endommageraient les cellules de tous les êtres vivants. Les systèmes techniques fonctionneraient fréquemment mal et les composants électroniques pourraient être complètement détruits dans certains cas.

Malgré son immense importance pour la vie sur notre planète, on ne sait toujours pas exactement ce qui crée le champ magnétique terrestre. Il existe diverses théories concernant son origine, mais de nombreux experts les jugent insuffisantes ou imparfaites. Une découverte faite par des scientifiques de Würzburg pourrait fournir un nouvel angle explicatif. Leurs résultats ont été publiés dans le numéro actuel de la revue Communication Nature . Par conséquent, la clé de l'effet pourrait être cachée dans la structure spéciale de l'élément nickel.

Contradiction entre théorie et réalité

"Les modèles standard du champ magnétique terrestre utilisent des valeurs de conductivité électrique et thermique des métaux à l'intérieur du noyau de notre planète qui ne peuvent pas correspondre à la réalité, " dit Giorgio Sangiovanni; il est professeur à l'Institut de physique théorique et d'astrophysique de l'Université de Würzburg. Avec le doctorant Andreas Hausoel et le postdoctorant Michael Karolak, il est en charge de la collaboration internationale qui a été publiée récemment. Parmi les participants se trouvent Alessandro Toschi et Karsten Held de TU Wien, qui sont des partenaires de coopération à long terme de Giorgio Sangiovanni, et des scientifiques de Hambourg, Halle (Saale) et Ekaterinbourg en Russie.

Au centre de la Terre à une profondeur d'environ 6, 400km, il y a une température de 6, 300 degrés Celsius et une pression d'environ 3,5 millions de bars. Les éléments prédominants, fer et nickel, forment une boule de métal solide dans ces conditions qui constitue le noyau interne de la Terre. Ce noyau interne est entouré par le noyau externe, une couche fluide composée principalement de fer et de nickel. L'écoulement de métal liquide dans le noyau externe peut intensifier les courants électriques et créer le champ magnétique terrestre - du moins selon la théorie commune de la géodynamo. "Mais la théorie est quelque peu contradictoire, ", dit Giorgio Sangiovanni.

Effets de corrélation induits par la structure de bande

"C'est parce qu'à température ambiante, le fer diffère considérablement des métaux communs tels que le cuivre ou l'or en raison de sa forte interaction électron-électron efficace. Il est fortement corrélé, " déclare-t-il. Mais les effets de la corrélation électronique sont considérablement atténués aux températures extrêmes régnant dans le noyau terrestre si bien que les théories conventionnelles sont applicables. Ces théories prédisent alors une conductivité thermique beaucoup trop élevée pour le fer ce qui est en contradiction avec la théorie de la géodynamo.

Avec le nickel les choses sont différentes. "Nous avons trouvé que le nickel présentait une anomalie distincte à des températures très élevées, " explique le physicien. " Le nickel est aussi un métal fortement corrélé. Contrairement au fer, ceci n'est pas dû à la seule interaction électron-électron, mais est principalement causé par la structure de bande spéciale du nickel. Nous avons baptisé l'effet « corrélation induite par la structure des bandes ». La structure des bandes d'un solide n'est déterminée que par la disposition géométrique des atomes dans le réseau et par le type d'atome.

Fer et nickel dans le noyau terrestre

"À température ambiante, les atomes de fer s'arrangeront de manière à ce que les atomes correspondants soient situés aux coins d'un cube imaginaire avec un atome central au centre du cube, formant une structure en treillis dite bcc, " ajoute Andreas Hausoel. Mais à mesure que la température et la pression augmentent, cette structure change :les atomes se rapprochent et forment un réseau hexagonal, que les physiciens appellent un réseau hcp. Par conséquent, le fer perd la plupart de ses propriétés corrélées.

Mais pas avec le nickel :« Dans ce métal, les atomes sont aussi denses que possible dans la structure cubique déjà à l'état normal. Ils conservent cette disposition même lorsque la température et la pression deviennent très importantes, " explique Hausoel. Le comportement physique inhabituel du nickel dans des conditions extrêmes ne peut s'expliquer que par l'interaction de cette stabilité géométrique et des corrélations électroniques provenant de cette géométrie. Malgré le fait que les scientifiques aient négligé le nickel jusqu'à présent, il semble jouer un rôle majeur dans le champ magnétique terrestre.

Indice décisif de la géophysique

Les événements à l'intérieur du noyau de la Terre ne sont pas au cœur des recherches des départements de physique théorique des solides de l'Université de Würzburg. Plutôt Sangiovanni, Hausoel et leurs collègues se concentrent sur les propriétés des électrons fortement corrélés à basse température. Ils étudient les effets quantiques et les effets dits multi-particules qui sont intéressants pour la prochaine génération de dispositifs de traitement de données et de stockage d'énergie. Les supraconducteurs et les ordinateurs quantiques sont les mots-clés dans ce contexte.

Les données d'expériences ne sont pas utilisées dans ce type de recherche. "Nous prenons les propriétés connues des atomes en entrée, inclure les connaissances de la mécanique quantique et essayer de calculer le comportement de grands amas d'atomes avec cela, " dit Hausoel. Parce que de tels calculs sont très complexes, les scientifiques doivent s'appuyer sur des supports externes tels que le supercalculateur SUPERMUC du Leibniz Supercomputing Center (LRZ) à Garching.

Et qu'est-ce que le noyau de la Terre a à voir avec ça ? "Nous voulions voir à quel point les nouvelles propriétés magnétiques du nickel sont stables et nous les avons trouvées pour survivre même à des températures très élevées, ", dit Hausoel. Des discussions avec des géophysiciens et d'autres études sur les alliages fer-nickel ont montré que ces découvertes pourraient être pertinentes pour ce qui se passe à l'intérieur du noyau de la Terre.