一个国际科学家团队发现了隐藏在磁铁矿中的奇异量子性质

新发现的由激光束触发的磁铁矿三聚体顺序电荷波动的图示。

一个国际科学家团队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。研究发现低能波的存在表明了电子与晶格相互作用的重要作用。这是充分理解磁铁矿中金属-绝缘体相变机理的另一步骤，尤其是了解该材料在转变温度附近的动力学性质和临界行为。

磁铁矿（FeO4）是一种常见的矿物，其强磁性质在古希腊就已广为人知。最初，它主要用于指南针，后来又用于许多其他设备，例如数据记录工具。它也广泛应用于催化过程。甚至动物也从磁铁矿的特性中受益于检测磁场-例如，已知鸟类会在导航中使用它。

物理学家对磁铁矿也非常感兴趣，因为在125 K的温度下，磁铁矿显示出奇异的相变，以荷兰化学家Verwey的名字命名。这种Verwey过渡也是历史上观察到的第一阶段金属到绝缘体的转变。在这个极其复杂的过程中，电导率变化了两个数量级，并且发生了晶体结构的重排。Verwey提出了一种基于电子在铁离子上的位置的转换机制，这种转换机制导致在低温下出现Fe2 +和Fe3 +电荷的周期性空间分布。

近年来，结构研究和高级计算证实了Verwey假设，同时揭示了更为复杂的电荷分布模式（铁原子的16个非等价位置）并证明了轨道次序的存在。这种电荷-轨道排列的基本成分是极化子-准粒子，由于在晶体中移动的带电粒子（电子或空穴）的静电相互作用而导致的晶格局部变形而形成准粒子。对于磁铁矿，极化子采取三聚体的形式，即由三个铁离子组成的络合物，其中内部原子比两个外部原子具有更多的电子。

这项新研究发表在《自然物理学》杂志上，由来自世界各地许多领先研究中心的科学家进行。其目的是通过实验发现与磁铁矿的电荷轨道顺序有关的激发，并通过先进的理论方法对其进行描述。实验部分在麻省理工学院（Edoardo Baldini，Carina Belvin，Ilkem Ozge Ozel，Nuh Gedik）进行；磁铁矿样品是在AGH科技大学（Andrzej Kozlowski）合成的；并在几个地方进行了理论分析：波兰科学院的核物理研究所（Przemyslaw Piekarz，Krzysztof Parlinski），Jagiellonian大学和马克斯·普朗克研究所（Andrzej M. Oles），罗马大学La Sapienza（何塞·洛伦扎纳），东北大学（Gregory Fiete），德克萨斯大学奥斯汀分校（Martin Rodriguez-Vega）和俄斯特拉发技术大学（Dominik Legut）。

Przemyslaw Piekarz教授解释说：“在波兰科学院核物理研究所，多年来我们一直在使用第一性原理计算方法对磁铁矿进行研究。”“这些研究表明，电子与晶格振动（声子）的强相互作用在Verwey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下的光学响应。然后，他们用超短激光脉冲（泵浦光束）照射晶体，并用延迟的探测脉冲测量远红外吸收的变化。麻省理工学院研究小组主任Nuh Gedik教授说：“这是一种强大的光学技术，使我们能够更深入地了解控制量子世界的超快现象。”

测量揭示了三聚体级的低能激发的存在，其对应于与晶格变形耦合的电荷振荡。接近Verwey跃迁时，两个相干模的能量减小为零，这表明它们在此变换附近的临界行为。先进的理论模型使他们能够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，使用密度泛函理论（DFT）计算了隧穿过程的能垒和其他模型参数。这些波在Verwey过渡中的参与已通过Ginzburg-Landau模型得到了证实。最后，计算还排除了观察到的现象的其他可能解释，包括常规声子和轨道激发。

文章的主要作者，麻省理工学院的Edoardo Baldini博士和Carina Belvin女士说：“发现这些波对于理解低温下磁铁矿的性质和Verwey转变机理至关重要。”“在更广泛的范围内，这些结果表明，超快光学方法与最新技术的结合使研究带有电荷和轨道序的异质相的量子材料成为可能。”

获得的结果得出了几个重要的结论。首先，磁铁矿中的三聚体级具有非常低的能量的基本激发，吸收电磁光谱的远红外区域中的辐射。其次，这些激发是电荷和晶格变形的集体波动，表现出临界行为，因此参与了Verwey跃迁。最后，研究结果为这种复杂相变起源的合作机制和动力学性质提供了新的思路。

Piekarz教授总结说：“关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，以更好地理解观察到的电子结构波。”

参考：“发现磁铁矿中三聚体有序的软电子模式”，作者：Edoardo Baldini，Carina A. Belvin，Martin Rodriguez-Vega，Ilkem Ozge Ozel，Dominik Legut，AndrzejKozłowski，Andrzej M.Oleś，Krzysztof Parlinski，PrzemysławPiekar洛伦扎纳（Lorenzana），格雷戈里·A·菲特（Gregory A.Fiete）和努·格迪克（Nuh Gedik），2020年3月9日，自然物理学。
10.1038 / s41567-020-0823-y