Квантовая физикаМатериалы

Физики обнаружили электронные волны в магнетите

Минерал, возможно, назван в честь Магнеса - легендарного пастуха, впервые нашедшего природный магнитный камень, притягивающий железо.

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

Показать больше
Back to top button