磁鐵礦是人類已知最古老的磁性材料，但研究人員仍對其某些特性感到困惑。例如，當溫度降低到125開爾文以下時，磁鐵礦從金屬轉變?yōu)榻^緣體，其原子移動到新的晶格結構，其電荷形成復雜的有序圖案。

這種異常復雜的相變是在20世紀40年代發(fā)現(xiàn)，被稱為Verwey相變，是有史以來第一次觀察到的金屬-絕緣體相變。

幾十年來，研究人員一直沒有確切了解這種相變是如何發(fā)生的?，F(xiàn)在發(fā)表在《自然物理學》期刊上一項新研究中，一個由實驗和理論研究人員組成的國際研究團隊，發(fā)現(xiàn)了驅動磁鐵礦中Verwey轉變的準粒子的指紋。使用超短激光脈沖，研究人員能夠確認在轉變溫度凍結的特殊電子波的存在，并隨著溫度降低開始以集體振蕩運動的方式“一起跳舞”。

該論文的主要作者之一、麻省理工學院物理學博士后愛德華多·巴爾迪尼(Edoardo Baldini)說：我們當時正在研究Verwey轉變背后的機制，突然發(fā)現(xiàn)異常波在轉變溫度下凍結，它們是由電子組成的波，它們取代周圍的原子，作為空間和時間的波動集體運動。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因為在磁鐵礦中從未發(fā)現(xiàn)過任何形式的凍結波。

該研究另一位主要作者、麻省理工學院物理學博士生卡琳娜·貝爾文說：我們立即意識到，這些有趣的物體合謀觸發(fā)了這一非常復雜的相變。這些在磁鐵礦中形成低溫電荷順序的物體是“三聚體”，即三原子積木，通過進行先進的理論分析，能夠確定所觀察到的波對應于三聚體來回滑動。對像磁鐵礦這樣的量子材料的理解仍處于初級階段，因為產生奇異有序相的相互作用具有極其復雜的性質。

研究人員認為，這一發(fā)現(xiàn)的更大意義將影響基本凝聚態(tài)物理領域，推進對這一自20世紀40年代初以來一直懸而未決概念之謎的理解。這項由麻省理工學院物理學教授努赫·格迪克領導的研究，是通過使用“超快太赫茲光譜學”實現(xiàn)的，這是一種基于極紅外超短脈沖的先進激光設備。這些激光脈沖長度只有百萬分之一秒，可以讓研究人員快速拍攝微觀世界的照片，現(xiàn)在的目標是應用這種方法在其他量子材料中發(fā)現(xiàn)新的集合波。

磁鐵礦(Fe3O4)中的Verwey轉變，是第一次觀察到的金屬-絕緣體轉變，它涉及到伴隨的結構重排和電荷軌道有序化。由于這些相互交織的自由度的復雜相互作用，對磁鐵礦低溫相的完整表征和驅動轉變的機制長期以來一直難以捉摸近年來的研究表明，電荷有序結構的基本構件是稱為三聚體的小極化子。然而，到目前為止還沒有探測到這種三聚體有序的電子集體模。

因此從電子學角度對Verwey躍遷動力學的理解仍然是缺乏的，研究發(fā)現(xiàn)了使用太赫茲光對三聚體低能電子激發(fā)的光譜特征。通過用超短激光脈沖相干驅動這些模，揭示了它們的臨界軟化，從而證明它們直接參與了Verwey相變，這些發(fā)現(xiàn)為磁鐵礦奇特基態(tài)起源的參與機制提供了新線索。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院

參考期刊《自物理學》

DOI: 10.1038/s41567-020-0823-y

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