磁铁矿中发现新型耦合电子结构波

2020/06/15 10:03:56 1477次浏览

一个国际科学家团队发现了隐藏在人类已知最古老的磁性材料——磁铁矿中的奇特量子特性。该研究揭示了低能波的存在，表明了电子与晶格相互作用的重要作用。这为全面了解磁铁矿中金属-绝缘体相变机理，特别是了解这种材料在过渡温度附近的动态特性和临界行为又迈出了一步。

磁铁矿(Fe3O4)是一种常见的具有强磁性的矿物，在古希腊时期就有记载。最初，它主要用于罗盘，后来又被用于许多其他设备，如数据记录工具等。它还被广泛应用于催化过程中。

物理学家对磁铁矿也很感兴趣，因为在125K左右的温度下，磁铁矿呈现出一种奇特的相变，以荷兰化学家Verwey的名字命名。这个Verwey转变也是历史上观察到的第一个金属到绝缘体的相变。在这个极其复杂的过程中，电导率发生了多达两个数量级的变化，晶体结构发生了重新排列。Verwey提出了一种基于电子在铁离子上的位置的转变机制，导致在低温下出现了Fe2+和Fe3+电荷的周期性空间分布。

近年来，结构研究和先进的计算证实了Verwey假说，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)，证明了轨道秩序的存在。这种电荷轨道秩序的基本成分是极子，由于晶体中移动的带电粒子(电子或空穴)在晶体中的静电相互作用导致晶格局部变形而形成的准粒子。就磁铁矿而言，极子采取三聚体的形式，是由三个铁离子组成的复合物，其中内部原子的电子比外部的两个原子多。

这项新的研究发表在《Nature Physics》杂志上，是由来自全球许多顶尖研究中心的科学家进行的。其目的是通过实验发现磁铁矿的电荷-轨道序所涉及的激发，并通过先进的理论方法对其进行描述。

"在波兰科学院核物理研究所，我们已经用第一原理计算方法对磁铁矿进行了多年的研究，"Przemyslaw Piekarz教授解释道。"这些研究表明，电子与晶格振动(声子)的强相互作用在Verwey转变中起着重要作用。"

麻省理工学院的科学家们在几个温度下测量了磁铁矿在极红外下的光学响应。然后，他们用超短激光脉冲(泵浦光束)照射晶体，用延迟探针脉冲测量远红外吸收的变化。"这是一种强大的光学技术，使我们能够更近距离地观察治理量子世界的超快现象。"麻省理工学院研究小组负责人Nuh Gedik教授说。

测量结果显示，三聚体的低能激发的存在，这对应于电荷振荡耦合到晶格变形。两个相干模式的能量在接近Verwey转变时下降到零，表明它们在这一转变附近的临界行为。先进的理论模型允许他们将新发现的激振描述为相干的偏振子隧道化。隧道化过程和其他模型参数的能量屏障，使用密度函数理论(DFT)，基于量子力学描述的分子和晶体的基础上，计算出了能量屏障。使用金兹堡-兰道模型证实了这些波在Verwey过渡中的参与。最后，计算还排除了观察到的现象的其他可能的解释。

"这些波的发现对于理解磁铁矿在低温下的特性和Verwey转变机制具有关键意义，"文章的主要作者、麻省理工学院的Edoardo Baldini博士和Carina Belvin博士写道。"在更广泛的背景下，这些结果揭示了超快光学方法和最先进的计算方法的结合，使得研究具有电荷和轨道顺序的异质相的量子材料的研究成为可能。"

获得的结果导致了几个重要的结论。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转变。最后，这些结果揭示了这种复杂相变的源头的合作机制和动力学特性。

"至于我们团队未来的计划，作为下一阶段工作的一部分，我们打算重点进行理论计算，旨在更好地理解观察到的耦合电子结构波，"Piekarz教授总结道。

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