Magnetit är det äldsta magnetiska materialet som är känt för människor, men forskare är fortfarande mystifierade av vissa aspekter av dess egenskaper.

Till exempel, när temperaturen sänks under 125 kelvin, magnetit förändras från en metall till en isolator, dess atomer skiftar till en ny gitterstruktur, och dess avgifter bildar ett komplicerat ordnat mönster. Denna utomordentligt komplexa fasomvandling, som upptäcktes på 1940 -talet och är känd som Verwey -övergången, var den första metallisolatorövergången som någonsin observerats. I årtionden, forskare har inte förstått exakt hur denna fasomvandling skedde.

Enligt ett papper publicerat 9 mars i Naturfysik , ett internationellt team av experimentella och teoretiska forskare upptäckte fingeravtryck av kvasipartiklarna som driver Verwey -övergången i magnetit. Med hjälp av en ultrakort laserpuls, forskarna kunde bekräfta förekomsten av säregna elektroniska vågor som fryses vid övergångstemperaturen och börjar "dansa ihop" i en kollektiv oscillerande rörelse när temperaturen sänks.

"Vi undersökte mekanismen bakom Verwey -övergången och vi hittade plötsligt avvikande vågor som fryser vid övergångstemperaturen", säger MIT -fysik postdoc Edoardo Baldini, en av huvudförfattarna på tidningen. "De är vågor gjorda av elektroner som förskjuter de omgivande atomerna och rör sig kollektivt som fluktuationer i rum och tid."

Denna upptäckt är betydelsefull eftersom inga frysta vågor av något slag någonsin hade hittats i magnetit. "Vi förstod genast att det här var intressanta objekt som samsas för att utlösa denna mycket komplexa fasövergång, "säger MIT fysik doktorand Carina Belvin, tidningens andra huvudförfattare.

Dessa föremål som bildar lågtemperaturladdningsordningen i magnetit är "trimeroner, "tre-atom byggstenar." Genom att utföra en avancerad teoretisk analys, vi kunde avgöra att vågorna vi observerade motsvarar trimeronerna som glider fram och tillbaka, "förklarar Belvin.

"Förståelsen för kvantmaterial som magnetit är fortfarande i sin linda på grund av den extremt komplexa karaktären hos de interaktioner som skapar exotiska ordnade faser, "tillägger Baldini.

Forskarna föreslår att den större betydelsen av denna upptäckt kommer att påverka området för grundläggande kondenserad fysik, främja förståelsen av ett konceptuellt pussel som har varit öppet sedan början av 1940 -talet. Detta jobb, ledd av MIT -professor i fysik Nuh Gedik, möjliggjordes genom användning av "ultrasnabb terahertz -spektroskopi, "en avancerad laserapparat baserad på ultrakortpulser i det extrema infraröda. Gedik säger, "Dessa laserpulser är så korta som en miljonedel av en miljonedel av en sekund och gör att vi kan ta snabba fotografier av den mikroskopiska världen. Vårt mål är nu att tillämpa detta tillvägagångssätt för att upptäcka nya klasser av kollektiva vågor i andra kvantmaterial."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.