يكشف مجهر الألماس عن زحف بطيء لقشرة الأرض القديمة

على طاولة داخل المختبر المحمي مغناطيسيًا لروجر فو ، عالم الكواكب في جامعة هارفارد ، يجلس بدعة متواضعة تحكي قصصًا عميقة عن الماضي الجيولوجي. يتكون مجهر الماس الكمومي (QDM) من عدد قليل من الملفات الكهرومغناطيسية الملفوفة حول الكاميرا ، والليزر الصغير ، وما يشبه شريحة عينة ملونة بالورود. الشريحة ليست من الزجاج ، ومع ذلك ؛ إنه الماس ، مخدر بعيوب حساسة للمجالات المغناطيسية الصغيرة. باستخدام هذا المجس الماسي ، يمكن للمجهر رسم خريطة للحقول المطبوعة في الحبوب الصخرية بمقاييس أصغر من عرض شعرة الإنسان ، مما يسمح للجيولوجيين بإثارة التاريخ الذي تغفله التقنيات الأكثر خشونة.

يستخدم مختبر فو المجهر لفحص النيازك للحصول على أدلة حول الأيام الأولى للنظام الشمسي. تاريخ هطول الأمطار قبل آلاف السنين من الهوابط. وكما هو موضح بالتفصيل هذا الأسبوع في مجلة Science Advances ، اكتشف بعض أقدم الحركات للألواح التكتونية للأرض في الحمم القديمة. يقول فو: "إنه مبدأ جديد تمامًا في علوم الأرض". وهي تصطاد. دفعت مؤسسة العلوم الوطنية لفريق Fu لبناء المجاهر في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وجامعة مينيسوتا ، بينما مولت وكالة ناسا الثلث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT). إنه يبني آخر لمختبر هولندي. يقول رونالد والسورث ، الفيزيائي بجامعة ميريلاند ، كوليدج بارك ، الذي كان رائدًا في تكنولوجيا الماس منذ حوالي 15 عامًا: "كان روجر هو جوني أبليسيد العظيم من QDMs".

يعتمد الميكروسكوب على عيوب صغيرة في الماس تنشأ عندما تطرح ذرة النيتروجين كربونيتين من الشبكة البلورية. الشوائب موجودة في الطبيعة ، ولكن يمكن تصنيعها أيضًا. والنتيجة هي فراغ بجوار النيتروجين الذي يحجز الإلكترونات التي تكون حالاتها الكمية حساسة: يمكن لضوء الليزر والموجات الدقيقة والمجالات المغناطيسية أن تعالج مستويات طاقتها وحالات الدوران. العيوب الماسية هي تقنية واعدة لاستضافة الكيوبت ، العناصر المنطقية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولكن بالنسبة للتجارب في الفيزياء الأساسية ، يمكن أن تكون حساسيتهم المغناطيسية المسببة للشعر مزعجة ، كما يقول والسورث. "ثم بدأنا نفكر ،" إذا كانت حساسة للغاية ، فربما تكون هذه ميزة ، وليست خطأ؟ "اتصل Walsworth أخيرًا بـ Fu ، الذي كان حريصًا على استغلال الميزة.

قدم تحليل بلورات الزركون التي يزيد عمرها عن 4 مليار عام من جاك هيلز في غرب أستراليا اختبارًا مبكرًا. وقد وجدت القياسات المغناطيسية القديمة القديمة باستخدام أجهزة استشعار فائقة التوصيل حقولًا باهتة محفوظة في الزركون ، وهو دليل على أن الأرض لديها مجال مغناطيسي قبل نصف مليار سنة مما كان متوقعًا. لكن أجهزة الاستشعار فائقة التوصيل يمكن أن تقيس فقط متوسط ​​المجال عبر الزركون ، وهي صغيرة مثل محركات الغبار. للتدقيق في عينات جاك هيل على نطاق أدق ، وضعهم فو على الشريحة الماسية وأضاء الشريحة بالليزر الأخضر. استجابت مراكز الشواغر النيتروجينية ، المحضرة بالملفات الكهرومغناطيسية ، عن طريق انبعاث الضوء الأحمر عند سطوع يعتمد على المغناطيسية في العينة.

أظهر الدقة المكانية الدقيقة لـ QDM أن الحقول لم تأت من الداخل من البلورات ، ولكن من حواف الحديد التي من المفترض أنها تشكلت بعد ذلك بكثير في تاريخها. يقول فو إن الحقول "لم تولد مع الزركون" ، مما أثار الجدل حول مزاعم حقل عمره أربعة مليارات عام.

الآن ، قام فو وزملاؤه بتطبيق هذه التقنية على صخور أخرى من غرب أستراليا - يبلغ عمرها 3.2 مليار عام العسل البازلت. باستخدام أجهزة الاستشعار فائقة التوصيل التقليدية ، التي لا تزال تهزم QDM للحساسية العامة ، قاموا بقياس شدة المجال المغناطيسي واتجاهاته التي تم التقاطها في 235 عينة من الصخور. لكنهم لم يتمكنوا من التأكد من أن هذه الحقول كانت بدائية: على مدار عمرها ، تم تغيير عسل البازلت ودفنه تحت قاع البحر ، حيث كان من الممكن أن تسمح المياه والسلالات الهائلة لمصادر مغناطيسية لاحقة بتلويثها. كان الأمر متروكًا لـ QDM لاستنتاج ما إذا كان مجالها المغناطيسي مواطنًا أم مهاجرًا.

يقول أليك برينر ، المؤلف الرئيسي للخريطة المغناطيسية الدقيقة التي أنتجتها الآلة ، إن الحقول لم تأت من الحبوب المعدنية ، ولكن من الهالات المحيطة بها ، والتي تكونت تحت الماء ، على الفور تقريبًا بعد أن تتدفق الحمم البركانية من الشقوق في قاع البحر. دراسة التقدم العلمي وطالب الدراسات العليا فو. ويقول: "هذا يعني تقنيًا أنهم لم يتشكلوا مع الصخور". ولكن لأغراض عملية ، كانت الهالات قديمة. يمكن للفريق أن يقول بثقة أن عمر الحقول 3.2 مليار سنة.

تنحدر خطوط المجال المغناطيسي للأرض في الأرض بزوايا تتزايد من خط الاستواء إلى القطبين. لذا فإن الاتجاهات الميدانية المحفوظة في عينات العسل ، تكشف عن خط العرض الذي تشكل البازلت. في العقد الماضي ، قام فريق آخر من الجيولوجيين بتحليل المغناطيسية القديمة في صخور عمرها 3.35 مليار عام لإظهار أنها تشكلت في "انحراف مختلف". من الاختلاف في خطوط العرض ، حسبت مجموعة فو أن قشرة الأرض تتحرك ، على الأقل ، حوالي 2 سم في السنة خلال هذه الفترة التي تبلغ 150 مليون سنة. يقول برينر: "هذا تقريبًا مشابه لحركة اللوحة الحديثة".

 يقول جون كوريناغا ، عالم الجيوفيزياء في جامعة ييل ، إن النتيجة "هي في حد ذاتها إنجاز كبير" ، وتشير إلى أن دراسات الصخور القديمة يمكن أن تثبت عندما بدأت تكتونية الصفائح. إن الحجج ذات المصداقية التي تستند إلى مدى سرعة تبريد الأرض للرضع قد وضعت البداية في أي مكان منذ 4.5 مليار سنة ، بعد فترة وجيزة من تكوين الأرض ، إلى 3 مليار سنة مضت. يقول كوريناغا: "إذا استطاعوا متابعة هذا الاتجاه والتعمق أكثر في الوقت المناسب ، فسيكون ذلك مثيرًا للاهتمام".

يقول فو أن النيازك ، كبسولات الوقت من النظام الشمسي المبكر ، هي موضوع طبيعي آخر لـ QDM. في دراسة جديدة مقبولة في مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الكواكب ، استخدم فو المجهر لتكبير حواف الكبريتات لقطرة بلورية من ذوبان بدائي داخل نيزك من المحتمل أن يكون وراء المشتري. بعرض 100 ميكرومتر فقط ، الحافات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن للتقنيات القديمة عزلها وقياسها ، لكن QDM كشفت عن ضعف المغناطيسية الأثرية. بالاقتران مع المقاييس السابقة لحقل أقوى في نيزك تشكل أقرب إلى الشمس ، تشير النتائج إلى أنه قبل 4.6 مليار سنة ، قد يكون لقرص المواد التي أدت إلى الكواكب مجال مغناطيسي غير مكتمل. يقول فو إن ذلك يشير إلى أن المغناطيسية ، وليس فقط ديناميكيات الجاذبية ، ربما لعبت دورًا في تلاقي الكواكب خارج القرص.

بالقرب من المنزل ، استخدم العلماء منذ فترة طويلة تكوينات الكهوف لقياس هطول الأمطار ، استنادًا إلى نسب نظائر الأكسجين المتبقية في الهوابط والصواعد عن طريق تسرب المياه. ولكن يمكن أن تكون نسب النظائر مؤشرا غير موثوق بها. ومن المعروف أيضًا أن الماء يودع حبيبات مغناطيسية مجهرية يتم التقاطها من التربة والصخور ، بكميات تختلف مع هطول الأمطار. في عينات تم جمعها من الغابات المطيرة البرازيلية ، وجد فريق فو أن QDM يبدو قادرًا على قياس وفرة الحبوب هذه بمرور الوقت كبديل لهطول الأمطار ، كما يقول. يقول جوشوا فاينبرج ، عالِم الجيولوجيا بجامعة مينيسوتا ، توين سيتيز ، إن ذلك من شأنه "فتح مصدر جديد تمامًا للبيانات حول التغير البيئي السابق".

على الرغم من أنها هاجرت إلى عدد قليل من المختبرات حتى الآن ، إلا أن QDM يمكن أن تصبح الأداة المفضلة لحل الادعاءات المثيرة للجدل حول مغناطيسات العصر القديم ، كما تقول كلير نيكولز ، الجيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. أبلغ نيكولز عن العثور على حقول مغناطيسية في صخور عمرها 3.7 مليار عام من غرينلاند - وهي علامة أخرى على دينامو مغناطيسي مبكر على الأرض. وستعزز خريطة إدارة الجودة هذا الادعاء. تقول: "ستصبح الآن المعيار الذهبي".