Fysikere bruger ekstreme infrarøde laserimpulser til at afsløre frosne elektronbølger i magnetit

Magnetit er det ældste magnetiske materiale kendt af mennesker, alligevel er forskere stadig mystificerede over visse aspekter af dets egenskaber.

For eksempel, når temperaturen er sænket til under 125 kelvin, magnetit ændres fra et metal til en isolator, dets atomer skifter til en ny gitterstruktur, og dets ladninger danner et kompliceret ordnet mønster. Denne ekstraordinært komplekse fasetransformation, som blev opdaget i 1940'erne og er kendt som Verwey-overgangen, var den første metal-isolator overgang nogensinde observeret. I årtier, forskere har ikke forstået præcis, hvordan denne fasetransformation foregik.

Ifølge et papir offentliggjort 9. marts i Naturfysik , et internationalt hold af eksperimentelle og teoretiske forskere opdagede fingeraftryk af de kvasipartikler, der driver Verwey-overgangen i magnetit. Ved hjælp af en ultrakort laserpuls, forskerne var i stand til at bekræfte eksistensen af ​​ejendommelige elektroniske bølger, der er frosset ved overgangstemperaturen og begynder at "danse sammen" i en kollektiv oscillerende bevægelse, når temperaturen sænkes.

"Vi undersøgte mekanismen bag Verwey-overgangen, og vi fandt pludselig unormale bølger, der fryser ved overgangstemperaturen," sagde MIT fysik postdoc Edoardo Baldini, en af ​​hovedforfatterne på papiret. "De er bølger lavet af elektroner, der fortrænger de omgivende atomer og bevæger sig kollektivt som fluktuationer i rum og tid."

Denne opdagelse er betydningsfuld, fordi ingen frosne bølger af nogen art nogensinde var blevet fundet i magnetit. "Vi forstod straks, at dette var interessante objekter, der konspirerer for at udløse denne meget komplekse faseovergang, " siger MIT fysik Ph.D.-studerende Carina Belvin, avisens anden hovedforfatter.

Disse objekter, der danner lavtemperatur-ladningsrækkefølgen i magnetit, er "trimeroner, " byggeklodser med tre atomer. "Ved at udføre en avanceret teoretisk analyse, vi var i stand til at bestemme, at de bølger, vi observerede, svarer til trimeronerne, der glider frem og tilbage, " forklarer Belvin.

"Forståelsen af ​​kvantematerialer såsom magnetit er stadig i sin vorden på grund af den ekstremt komplekse karakter af de interaktioner, der skaber eksotiske ordnede faser, " tilføjer Baldini.

Forskerne foreslår, at den større betydning af denne opdagelse vil påvirke feltet af fundamental kondenseret stoffysik, fremme forståelsen af ​​et konceptuelt puslespil, der har været åbent siden begyndelsen af ​​1940'erne. Dette arbejde, ledet af MIT professor i fysik Nuh Gedik, blev muliggjort ved brug af "ultrahurtig terahertz-spektroskopi, " et avanceret laserapparat baseret på ultrakorte pulser i det ekstreme infrarøde. Gedik siger, "Disse laserimpulser er så korte som en milliontedel af en milliontedel af et sekund og giver os mulighed for at tage hurtige fotografier af den mikroskopiske verden. Vores mål er nu at anvende denne tilgang til at opdage nye klasser af kollektive bølger i andre kvantematerialer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.