波兰科学院 由激光束触发的磁铁矿三聚体中新发现的电荷起伏的图解
资料来源:安布拉·加拉切利和麻省理工学院 一个国际科学家小组发现了隐藏在磁铁矿中的奇异量子特性，磁铁矿是人类已知的最古老的磁性材料
这项研究揭示了低能波的存在，表明电子与晶格相互作用的重要作用
这是全面理解磁铁矿中金属-绝缘体相变机制的又一步，特别是了解这种材料在转变温度附近的动力学特性和临界行为
磁铁矿(Fe3O4)是一种常见的具有强磁性的矿物，在古希腊就有记载
最初，它主要用于指南针，后来用于许多其他设备，如数据记录工具
它也广泛应用于催化过程
甚至动物在探测磁场时也受益于磁铁矿的特性——例如，鸟类喙中的磁铁矿可以帮助它们导航
物理学家也对磁铁矿感兴趣，因为在125 K的温度附近，它显示出一种奇异的相变，以荷兰化学家韦威的名字命名
这种韦威转变也是历史上观察到的第一阶段金属-绝缘体转变
在这个极其复杂的过程中，电导率变化高达两个数量级，晶体结构发生重排
韦威提出了一种基于铁离子上电子位置的转换机制，这种机制导致了Fe2+和Fe3+电荷在低温下出现周期性的空间分布
近年来，结构研究和高级计算证实了韦威假说，同时揭示了更复杂的电荷分布模式(铁原子的16个非等价位置)并证明了轨道序的存在
这种电荷轨道排序的基本成分是极化子——准粒子，它是由晶体中运动的带电粒子(电子或空穴)的静电相互作用引起的晶格局部变形的结果
在磁铁矿的情况下，极化子采取三聚体的形式，由三个铁离子组成的复合物，其中内部原子比两个外部原子有更多的电子
这项发表在《自然物理学》杂志上的新研究是由来自世界各地许多领先研究中心的科学家进行的
其目的是通过实验揭示磁铁矿的电荷轨道顺序所涉及的激发，并用先进的理论方法描述它们
实验部分在麻省理工学院(Edoardo Baldini，Carina Belvin，Ilkem Ozge Ozel，Nuh Gedik)完成；磁铁矿样品在AGH科技大学合成；理论分析是在几个地方进行的:波兰科学院核物理研究所(波兰科学院物理研究所、波兰科学院物理研究所、波兰科学院物理研究所、波兰科学院物理研究所和马克斯·普朗克研究所
奥勒斯)、罗马大学“萨皮恩扎”(何塞·洛伦扎纳)、东北大学(格雷戈里·菲特)、德克萨斯大学奥斯汀分校(马丁·罗德里格斯-维加)和俄斯特拉发技术大学(张秀坤·勒古特)
“在波兰科学院核物理研究所，我们使用第一性原理计算方法对磁铁矿进行了多年的研究，”教授解释道
Przemyslaw Piekarz
“这些研究表明，电子与晶格振动(声子)的强烈相互作用在韦威跃迁中起着重要作用
" 麻省理工学院的科学家在几个温度下测量了磁铁矿在极端红外线中的光学响应
然后，他们用超短激光脉冲(泵浦光束)照射晶体，用延迟的探测脉冲测量远红外吸收的变化
“这是一种强大的光学技术，使我们能够更近距离地观察主宰量子世界的超快现象，”教授说
麻省理工学院研究小组组长努赫·格迪克
测量揭示了三聚体级低能激发的存在，这对应于耦合到晶格变形的电荷振荡
当接近韦维跃迁时，两个相干模式的能量降低到零——表明它们在这个跃迁附近的临界行为
先进的理论模型允许他们将新发现的激发描述为极化子的相干隧穿
基于分子和晶体的量子力学描述，利用密度泛函理论计算了隧穿过程的能垒和其他模型参数
使用金兹堡-朗道模型证实了这些波在韦威跃迁中的参与
最后，计算还排除了对观察到的现象的其他可能解释，包括常规声子和轨道激发
“这些波的发现对于理解低温下磁铁矿的性质和韦威转变机制至关重要，”Dr
这篇文章的主要作者，麻省理工学院的爱德华多·巴尔迪尼和卡琳娜·贝尔文
“在更广泛的背景下，这些结果揭示了超快光学方法和最先进计算的结合使得研究具有电荷和轨道顺序的奇异物质相的量子材料成为可能
" 获得的结果导致几个重要的结论
首先，磁铁矿中的三聚体序具有能量非常低的基本激发，吸收电磁光谱的远红外区域的辐射
第二，这些激发是电荷和晶格变形的集体涨落，表现出临界行为，因此涉及韦维跃迁
最后，这些结果揭示了这种复杂相变起源的合作机制和动力学性质
“至于我们团队的未来计划，作为下一阶段工作的一部分，我们打算专注于进行理论计算，旨在更好地理解观察到的耦合电子结构波，”教授总结道
Piekarz
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