La lithosphère océanique en subduction transporte dans le manteau inférieur une quantité importante de basalte des dorsales médio-océaniques (MORB). Des parties de cette croûte peuvent se détacher et s'accumuler à la limite entre le manteau supérieur et inférieur, formant des couches chimiquement distinctes qui sont associées à des anomalies sismiques : vitesses réduites des ondes de cisaillement et conductivité électrique accrue. La davemaoïte constitue environ 23 % en volume de la croûte océanique subductée et est l'une des phases sismiques les plus lentes du manteau inférieur. C'est pourquoi sa transition de phase de la structure tétragonale à la structure cubique, accompagnée d'une déformation spontanée et d'un ramollissement des modules élastiques, peut influencer considérablement les vitesses sismiques. Cependant, les données expérimentales sur la température de cette transition étaient contradictoires : les premières mesures avec chauffage externe donnaient environ 600 K, tandis que les calculs théoriques prédisaient 1200 à 2000 K. Ce travail se distingue des autres publications de l'archive, qui portent principalement sur les matériaux magnétiques et la supraconductivité, mais il est thématiquement proche des recherches sur le graphène et le comportement collectif, car il traite également des distorsions structurelles et des transitions de phase dans les milieux condensés.
Les auteurs ont utilisé une cellule à enclumes de diamant avec chauffage laser (LHDAC) combinée à la diffraction des rayons X synchrotron sur la source SPring-8 (ligne BL10XU). Des échantillons de CaSiO3 pur et de verre de composition CaSi0.75Ti0.25O3 ont été placés entre des feuilles d'or (marqueur de pression) et des films de diamant boré (absorbeur laser), entourés de KCl comme milieu de transmission de pression. Le chauffage a été effectué avec un laser à fibre des deux côtés, et la température a été mesurée par pyrométrie spectroradiométrique avec une précision d'environ 10 %. La pression a été déterminée à partir du paramètre de réseau de l'or. Les diagrammes de diffraction ont été analysés en ajustant les pics aux modèles cubique (Pm-3m) et tétragonal (P4/mmm). La transition a été détectée par le changement brusque de la largeur à mi-hauteur du pic (200) et par le saut du rapport c/a. De plus, une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) synchrotron a été réalisée dans une cellule avec chauffage externe jusqu'à 1000 K pour confirmer la transition par la modification des spectres vibrationnels.
Pour le CaSiO3 pur, la transition de la phase tétragonale à la phase cubique a été observée à des températures allant de 1470 K à 50 GPa jusqu'à 1990 K à 84 GPa. Cela est de 500 à 1000 K plus élevé que dans les expériences précédentes avec chauffage externe, mais cohérent avec les prédictions théoriques. Pour la composition CaSi0.75Ti0.25O3, la limite de transition s'est avérée encore plus élevée : de 1300 K à 15 GPa jusqu'à 2410 K à 68 GPa, soit environ 600 à 700 K de plus que pour la davemaoïte pure aux mêmes pressions. Ainsi, le titane stabilise la phase tétragonale. L'extrapolation à une teneur réaliste en titane dans le MORB subducté (5 à 10 % molaire) donne une transition à des profondeurs de 700 à 1200 km le long du géotherme froid de la plaque. Les équations d'état thermiques ont également été déterminées : pour le CaSiO3 cubique, V0 = 45.54 ų, K0 = 243 GPa, γ0 = 1.47 ; pour le CaSi0.75Ti0.25O3 tétragonal, V0 = 48.9 ų, K0 = 214 GPa. La densité de la davemaoïte avec 25 % de titane est inférieure de 1.2 à 1.5 % à celle de la phase pure, mais reste de 1.5 à 3.4 % supérieure à la densité du manteau environnant.
Ces résultats résolvent une contradiction de longue date entre les expériences et la théorie : la transition se produit effectivement à des températures élevées, comme le prédisaient les calculs. Cela change la vision de l'endroit où la davemaoïte se trouve en phase cubique dans le manteau. Dans les plaques subductées froides, elle reste tétragonale jusqu'à des profondeurs supérieures à 2000 km, tandis que dans les régions chaudes près de la limite noyau-manteau, elle peut passer à la phase cubique. Cette sensibilité à la température et à la composition permet d'expliquer les diffuseurs sismiques dans le manteau inférieur moyen, où l'on observe des réductions de vitesse des ondes de cisaillement allant jusqu'à 12 %, et la contribution aux grandes provinces à faible vitesse des ondes de cisaillement (LLSVP) à la base du manteau. Ce travail se distingue des autres publications de l'archive en ce qu'il étudie une transition de phase dans un minéral à des pressions et températures extrêmes, plutôt que des propriétés magnétiques ou supraconductrices, et mesure pour la première fois directement la limite de transition dans une cellule chauffée par laser, au lieu de l'extrapoler à partir de données à basse température.
Le sujet pourrait se développer vers une étude plus détaillée de l'influence d'autres impuretés, telles que l'aluminium et l'hydrogène, sur la température de transition. Il est également important de mesurer les propriétés élastiques de la davemaoïte près de la transition afin de la relier quantitativement aux vitesses sismiques. Le développement des méthodes de chauffage laser et de diffraction synchrotron permettra d'atteindre des pressions et températures encore plus élevées, se rapprochant des conditions de la limite noyau-manteau elle-même. De plus, la modélisation de la convection mantellique prenant en compte la nouvelle transition de phase aidera à tester les hypothèses sur l'origine des LLSVP.
Les résultats influenceront la géophysique et la minéralogie du manteau inférieur, en particulier l'interprétation des données sismiques et les modèles d'hétérogénéité chimique. Ils sont également importants pour comprendre le destin de la croûte océanique subductée et son rôle dans l'évolution thermique et chimique de la Terre.
La prochaine étape consistera à mesurer les vitesses du son dans la davemaoïte à hautes pressions et températures près de la transition de phase. Il faudra également étudier l'influence de concentrations réalistes de titane (5 à 10 %) et d'autres impuretés sur la limite de transition.
Ce travail est directement lié au problème de l'explication des anomalies sismiques dans le manteau inférieur, en particulier les diffuseurs dans le manteau moyen et les grandes provinces à faible vitesse des ondes de cisaillement près de la limite noyau-manteau. Il aborde également la question de l'hétérogénéité chimique du manteau et du destin des plaques en subduction, qui reste l'un des problèmes clés non résolus de la géophysique.
La davemaoïte n'a été officiellement reconnue comme minéral qu'en 2021, bien que son existence dans le manteau inférieur ait été supposée pendant des décennies. Son nom rend hommage au géophysicien Ho-Kwang (David) Mao, qui a énormément contribué à l'étude des minéraux à hautes pressions.