Физики обнаружили мягкие электронные моды тримеронной сети магнетита

С помощью ультракоротких лазерных импульсов физики смогли проконтролировать моды электронных колебаний тримеронной сети магнетита и доказать, что эти моды причастны к механизму перехода Вервея. Это открытие приблизит ученых к разгадке механизма перехода магнетита из проводящего в диэлектрическое состояние. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Магнетит — это очень распространенный минерал черного цвета из класса оксидов, его можно обнаружить даже в мозге человека. Несмотря на широкое распространение, он обладает свойством, природу которого физики до сих пор не могут полностью объяснить. При температуре ниже 125 кельвин атомы магнетита изменяют свою кристаллическую структуру так, что минерал переходит из металлического состояния в диэлектрическое. Такой фазовый переход называется переходом Вервея. Он был открыт еще в 1939 году, но объяснить его ученым не удается до сих пор.

За последнее десятилетие физики сделали несколько открытий, которые приближают их к пониманию структурных механизмов перехода Вервея. С помощью рентгеноструктурного анализа они обнаружили, что низкотемпературная структура магнетита упорядочена как сеть трехполюсных поляронов, их называют тримеронами.

При понижении температуры ионных кристаллов, благодаря сложному взаимодействию внутри его структуры, возможно возбуждение различных мод пространственных колебаний (или волн) электронов внутри кристалла. Возможно, эти колебания и являются драйвером реструктуризации кристаллической решетки при переходе из металлического в диэлектрическое состояние.

а. Схема тримеронной сети b. Строение одного тримерона

Edoardo Baldini et al./ Nature, 2020

Наконец, группа ученых во главе с Эдоардо Балдини (Edoardo Baldini) из Массачусетского технологического института, обнаружила мягкие электронные моды тримеронной сети магнетита. С помощью ультракоротких лазерных импульсов ученым удалось в когерентном режиме проконтролировать нужные им электронные моды и показать, что моды принимают непосредственное участие в процессе перехода Вервея.

Эти моды заморожены при температуре Вервея и приходят в движение при дальнейшем понижении температуры. Проведя теоретический анализ, ученые показали, что наблюдаемые моды соответствуют именно осциллирующим тримеронам.

«Понимание квантовых материалов, таких как магнетит, все еще находится в зачаточном состоянии из-за чрезвычайно сложной природы взаимодействий», — говорит главный автор статьи, Эдоардо Балдини. Несмотря на это, работа ученых — важный шаг в разгадке механизмов перехода Вервея, приближающий физиков к ответу.

Исследования связанные с магнетитом довольно часто попадают в научные журналы. Не так давно магнетит заставил молекулы воды собираться в пары и тройки. А его накопление в мозге связали с загрязнением воздуха.

Олег Макаров

Источник:N+1