Ett internationellt team av forskare upptäckte exotiska kvantegenskaper gömda i magnetit, det äldsta magnetiska materialet som mänskligheten känner till. Studien avslöjar förekomsten av lågenergivågor som indikerar den viktiga rollen av elektroniska interaktioner med kristallgittret. Detta är ytterligare ett steg mot att helt förstå metallisolatorns fasövergångsmekanism i magnetit, och i synnerhet att lära sig om de dynamiska egenskaperna och kritiska beteendet hos detta material i närheten av övergångstemperaturen.

Magnetit (Fe ₃ O ₄ ) är ett vanligt mineral med starka magnetiska egenskaper som dokumenterades i antikens Grekland. Initialt, det användes främst i kompasser, och senare i många andra enheter, såsom dataregistreringsverktyg. Det används också i stor utsträckning för katalytiska processer. Även djur drar nytta av magnetitens egenskaper när det gäller att upptäcka magnetiska fält - till exempel, magnetit i fåglarnas näbb kan hjälpa dem att navigera.

Fysiker är också intresserade av magnetit eftersom en temperatur på 125 K, den visar en exotisk fasövergång, uppkallad efter den holländska kemisten Verwey. Denna Verwey-övergång var också den första fasen av metall-till-isolator-transformation som observerats historiskt. Under denna extremt komplexa process, den elektriska ledningsförmågan ändras med så mycket som två storleksordningar och en omarrangering av kristallstrukturen äger rum. Verwey föreslog en transformationsmekanism baserad på placeringen av elektroner på järnjoner, vilket leder till uppkomsten av en periodisk rumslig fördelning av Fe ₂ ⁺ och Fe ₃ ⁺ laddas vid låga temperaturer.

Under de senaste åren har strukturella studier och avancerade beräkningar har bekräftat Verweys hypotes, samtidigt avslöjar ett mycket mer komplext mönster av laddningsfördelning (16 icke-ekvivalenta positioner av järnatomer) och bevisar förekomsten av orbital ordning. De grundläggande komponenterna i denna laddnings-orbitala ordning är polaroner - kvasipartiklar som bildas som ett resultat av en lokal deformation av kristallgittret orsakad av den elektrostatiska interaktionen av en laddad partikel (elektron eller hål) som rör sig i kristallen. När det gäller magnetit, polaronerna tar formen av trimeroner, komplex gjorda av tre järnjoner, där den inre atomen har fler elektroner än de två yttre atomerna.

Den nya studien, publiceras i tidskriften Naturfysik , utfördes av forskare från många ledande forskningscentra runt om i världen. Dess syfte var att experimentellt avslöja excitationerna involverade i magnetitens laddnings-orbitalordning och beskriva dem med hjälp av avancerade teoretiska metoder. Den experimentella delen utfördes vid MIT (Edoardo Baldini, Carina Belvin, Ilkem Ozge Ozel, Nuh Gedik); magnetitprover syntetiserades vid AGH University of Science and Technology (Andrzej Kozlowski); och de teoretiska analyserna utfördes på flera ställen:Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (Przemyslaw Piekarz, Krzysztof Parlinski), Jagiellonian University och Max Planck Institute (Andrzej M. Oles), universitetet i Rom "La Sapienza" (Jose Lorenzana), Northeastern University (Gregory Fiete), University of Texas i Austin (Martin Rodriguez-Vega), och det tekniska universitetet i Ostrava (Dominik Legut).

"Vid institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin, vi har genomfört studier på magnetit i många år, med beräkningsmetoden för första principerna, " förklarar Prof. Przemyslaw Piekarz. "Dessa studier har visat att den starka interaktionen mellan elektroner och gittervibrationer (fononer) spelar en viktig roll i Verwey-övergången."

Forskarna vid MIT mätte det optiska svaret hos magnetit i det extrema infraröda för flera temperaturer. Sedan, de belyste kristallen med en ultrakort laserpuls (pumpstråle) och mätte förändringen i den långt infraröda absorptionen med en fördröjd sondpuls. "Detta är en kraftfull optisk teknik som gjorde det möjligt för oss att ta en närmare titt på de ultrasnabba fenomenen som styr kvantvärlden, " säger prof. Nuh Gedik, chef för forskargruppen vid MIT.

Mätningarna avslöjade förekomsten av lågenergiexcitationer av trimeronordningen, som motsvarar laddningssvängningar kopplade till en gitterdeformation. Energin för två koherenta lägen minskar till noll när man närmar sig Verwey-övergången – vilket indikerar deras kritiska beteende nära denna transformation. Avancerade teoretiska modeller gjorde det möjligt för dem att beskriva de nyupptäckta excitationerna som en sammanhängande tunnling av polaroner. Energibarriären för tunnlingsprocessen och andra modellparametrar beräknades med hjälp av densitetsfunktionsteori (DFT), baserad på den kvantmekaniska beskrivningen av molekyler och kristaller. Inblandningen av dessa vågor i Verwey-övergången bekräftades med Ginzburg-Landau-modellen. Till sist, beräkningarna uteslöt även andra möjliga förklaringar till det observerade fenomenet, inklusive konventionella fononer och orbitala excitationer.

"Upptäckten av dessa vågor är av avgörande betydelse för att förstå egenskaperna hos magnetit vid låga temperaturer och Verwey-övergångsmekanismen, " skriver Dr. Edoardo Baldini och Carina Belvin från MIT, huvudförfattarna till artikeln. "I ett bredare sammanhang, dessa resultat avslöjar att kombinationen av ultrasnabba optiska metoder och toppmoderna beräkningar gör det möjligt att studera kvantmaterial som är värd för exotiska faser av materia med laddning och omloppsordning."

De erhållna resultaten leder till flera viktiga slutsatser. Först, trimeronordningen i magnetit har elementära excitationer med mycket låg energi, absorberar strålning i det långt infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet. Andra, dessa excitationer är kollektiva fluktuationer av laddning och gitterdeformationer som uppvisar kritiskt beteende och är således involverade i Verwey-övergången. Till sist, resultaten kastar nytt ljus över den kooperativa mekanismen och de dynamiska egenskaperna som ligger bakom denna komplexa fasövergång.

"När det gäller planerna för framtiden för vårt team, som en del av nästa stadier av arbetet avser vi att fokusera på att genomföra teoretiska beräkningar som syftar till att bättre förstå de observerade kopplade elektroniska strukturella vågorna, " avslutar prof. Piekarz.