磁铁矿是人类已知最古老的磁性材料，但研究人员仍对其某些特性感到困惑。例如，当温度降低到125开尔文以下时，磁铁矿从金属转变为绝缘体，其原子移动到新的晶格结构，其电荷形成复杂的有序图案。这种异常复杂的相变是在20世纪40年代发现，被称为Verwey相变，是有史以来第一次观察到的金属-绝缘体相变。
几十年来，研究人员一直没有确切了解这种相变是如何发生的。现在发表在《自然物理学》期刊上一项新研究中，一个由实验和理论研究人员组成的国际研究团队，发现了驱动磁铁矿中Verwey转变的准粒子的指纹。使用超短激光脉冲，研究人员能够确认在转变温度冻结的特殊电子波的存在，并随着温度降低开始以集体振荡运动的方式“一起跳舞”。
该论文的主要作者之一、麻省理工学院物理学博士后爱德华多·巴尔迪尼(Edoardo Baldini)说：我们当时正在研究Verwey转变背后的机制，突然发现异常波在转变温度下冻结，它们是由电子组成的波，它们取代周围的原子，作为空间和时间的波动集体运动。这一发现意义重大，因为在磁铁矿中从未发现过任何形式的冻结波。
该研究另一位主要作者、麻省理工学院物理学博士生卡琳娜·贝尔文说：我们立即意识到，这些有趣的物体合谋触发了这一非常复杂的相变。这些在磁铁矿中形成低温电荷顺序的物体是“三聚体”，即三原子积木，通过进行先进的理论分析，能够确定所观察到的波对应于三聚体来回滑动。对像磁铁矿这样的量子材料的理解仍处于初级阶段，因为产生奇异有序相的相互作用具有极其复杂的性质。
研究人员认为，这一发现的更大意义将影响基本凝聚态物理领域，推进对这一自20世纪40年代初以来一直悬而未决概念之谜的理解。这项由麻省理工学院物理学教授努赫·格迪克领导的研究，是通过使用“超快太赫兹光谱学”实现的，这是一种基于极红外超短脉冲的先进激光设备。这些激光脉冲长度只有百万分之一秒，可以让研究人员快速拍摄微观世界的照片，现在的目标是应用这种方法在其他量子材料中发现新的集合波。
磁铁矿(Fe3O4)中的Verwey转变，是第一次观察到的金属-绝缘体转变，它涉及到伴随的结构重排和电荷轨道有序化。由于这些相互交织的自由度的复杂相互作用，对磁铁矿低温相的完整表征和驱动转变的机制长期以来一直难以捉摸近年来的研究表明，电荷有序结构的基本构件是称为三聚体的小极化子。然而，到目前为止还没有探测到这种三聚体有序的电子集体模。
因此从电子学角度对Verwey跃迁动力学的理解仍然是缺乏的，研究发现了使用太赫兹光对三聚体低能电子激发的光谱特征。通过用超短激光脉冲相干驱动这些模，揭示了它们的临界软化，从而证明它们直接参与了Verwey相变，这些发现为磁铁矿奇特基态起源的参与机制提供了新线索。
博科园｜研究/来自：麻省理工学院
参考期刊《自物理学》
DOI: 10.1038/s41567-020-0823-y
关注【博科园】看更多大美宇宙科学
