Физики обнаружили электронные волны в магнетите

Магнетит является старейшим магнитным материалом, известным людям, однако исследователи до сих пор не понимают некоторые аспекты его свойств.

Например, когда температура понижается ниже 125 кельвинов, магнетит превращается из металла в изолятор, его атомы переходят в новую решеточную структуру, а его заряды образуют сложную упорядоченную структуру. Это чрезвычайно сложное фазовое превращение, которое было открыто в 1940-х годах и известно как переход Вервея, было первым из когда-либо наблюдавшихся переходов металл-изолятор. В течение десятилетий ученые не понимали, как именно происходила эта фазовая трансформация.

Согласно статье, опубликованной в журнале «Nature Physics», международная группа экспериментальных и теоретических исследователей обнаружила отпечатки квазичастиц, которые управляют переходом Вервея в магнетите. Используя ультракороткий лазерный импульс, исследователи смогли подтвердить существование своеобразных электронных волн, которые застывают при температуре перехода и начинают «танцевать вместе» в коллективном колебательном движении при понижении температуры.

«Мы исследовали механизм перехода Вервея и неожиданно обнаружили аномальные волны, застывающие при температуре перехода», — сказал физик MIT Эдуардо Балдини, один из ведущих авторов статьи. «Это волны, состоящие из электронов, которые смещают окружающие атомы и коллективно движутся как колебания в пространстве и времени».

Это открытие является значительным, поскольку в магнетите никогда не было обнаружено каких-либо застывших волн. «Мы сразу поняли, что это были интересные объекты, которые вместе запускают этот очень сложный фазовый переход», — говорят ученые.

Эти объекты, которые формируют низкотемпературный порядок заряда в магнетите, являются «тримеронами», трехатомными строительными блоками. Проведя углубленный теоретический анализ, ученые смогли определить, что наблюдаемые волны соответствуют тримеронам, скользящим взад и вперед.

«Понимание квантовых материалов, таких как магнетит, все еще находится в зачаточном состоянии из-за чрезвычайно сложной природы взаимодействий, которые создают экзотические упорядоченные фазы», ​​- добавляет Балдини.

Исследователи предполагают, что большее значение этого открытия повлияет на фундаментальную физику конденсированного состояния, продвигая понимание концептуальной загадки, которая была открыта с начала 1940-х годов.

Эта работа, возглавляемая профессором физики из Массачусетского технологического института Нухом Гедиком, стала возможной благодаря использованию «сверхбыстрой терагерцовой спектроскопии», продвинутого лазерного аппарата, основанного на сверхкоротких импульсах в экстремальном инфракрасном диапазоне.

«Эти лазерные импульсы составляют всего одну миллионную часть миллионной доли секунды и позволяют нам быстро фотографировать микроскопический мир. Теперь наша цель — применить этот подход для открытия новых классов коллективных волн в других квантовых материалах».

Edoardo Baldini et al. Discovery of the soft electronic modes of the trimeron order in magnetite, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0823-y