磁鐵礦是人類(lèi)已知最古老的磁性材料，但研究人員仍對(duì)其某些特性感到困惑。例如，當(dāng)溫度降低到125開(kāi)爾文以下時(shí)，磁鐵礦從金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體，其原子移動(dòng)到新的晶格結(jié)構(gòu)，其電荷形成復(fù)雜的有序圖案。這種異常復(fù)雜的相變是在20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)，被稱(chēng)為Verwey相變，是有史以來(lái)第一次觀察到的金屬-絕緣體相變。

幾十年來(lái)，研究人員一直沒(méi)有確切了解這種相變是如何發(fā)生的?，F(xiàn)在發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上一項(xiàng)新研究中，一個(gè)由實(shí)驗(yàn)和理論研究人員組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)磁鐵礦中Verwey轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)粒子的指紋。使用超短激光脈沖，研究人員能夠確認(rèn)在轉(zhuǎn)變溫度凍結(jié)的特殊電子波的存在，并隨著溫度降低開(kāi)始以集體振蕩運(yùn)動(dòng)的方式“一起跳舞”。

（上圖所示）在這幅圖中，紅色激光束觸發(fā)了新發(fā)現(xiàn)磁鐵礦中電子波的舞蹈。圖片：Ambra Garlaschelli

該論文的主要作者之一、麻省理工學(xué)院物理學(xué)博士后愛(ài)德華多·巴爾迪尼(Edoardo Baldini)說(shuō)：我們當(dāng)時(shí)正在研究Verwey轉(zhuǎn)變背后的機(jī)制，突然發(fā)現(xiàn)異常波在轉(zhuǎn)變溫度下凍結(jié)，它們是由電子組成的波，它們?nèi)〈車(chē)脑?，作為空間和時(shí)間的波動(dòng)集體運(yùn)動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樵诖盆F礦中從未發(fā)現(xiàn)過(guò)任何形式的凍結(jié)波。

該研究另一位主要作者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)博士生卡琳娜·貝爾文說(shuō)：我們立即意識(shí)到，這些有趣的物體合謀觸發(fā)了這一非常復(fù)雜的相變。這些在磁鐵礦中形成低溫電荷順序的物體是“三聚體”，即三原子積木，通過(guò)進(jìn)行先進(jìn)的理論分析，能夠確定所觀察到的波對(duì)應(yīng)于三聚體來(lái)回滑動(dòng)。對(duì)像磁鐵礦這樣的量子材料的理解仍處于初級(jí)階段，因?yàn)楫a(chǎn)生奇異有序相的相互作用具有極其復(fù)雜的性質(zhì)。

研究人員認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)的更大意義將影響基本凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，推進(jìn)對(duì)這一自20世紀(jì)40年代初以來(lái)一直懸而未決概念之謎的理解。這項(xiàng)由麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授努赫·格迪克領(lǐng)導(dǎo)的研究，是通過(guò)使用“超快太赫茲光譜學(xué)”實(shí)現(xiàn)的，這是一種基于極紅外超短脈沖的先進(jìn)激光設(shè)備。這些激光脈沖長(zhǎng)度只有百萬(wàn)分之一秒，可以讓研究人員快速拍攝微觀世界的照片，現(xiàn)在的目標(biāo)是應(yīng)用這種方法在其他量子材料中發(fā)現(xiàn)新的集合波。

磁鐵礦(Fe3O4)中的Verwey轉(zhuǎn)變，是第一次觀察到的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，它涉及到伴隨的結(jié)構(gòu)重排和電荷軌道有序化。由于這些相互交織的自由度的復(fù)雜相互作用，對(duì)磁鐵礦低溫相的完整表征和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變的機(jī)制長(zhǎng)期以來(lái)一直難以捉摸近年來(lái)的研究表明，電荷有序結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件是稱(chēng)為三聚體的小極化子。然而，到目前為止還沒(méi)有探測(cè)到這種三聚體有序的電子集體模。

因此從電子學(xué)角度對(duì)Verwey躍遷動(dòng)力學(xué)的理解仍然是缺乏的，研究發(fā)現(xiàn)了使用太赫茲光對(duì)三聚體低能電子激發(fā)的光譜特征。通過(guò)用超短激光脈沖相干驅(qū)動(dòng)這些模，揭示了它們的臨界軟化，從而證明它們直接參與了Verwey相變，這些發(fā)現(xiàn)為磁鐵礦奇特基態(tài)起源的參與機(jī)制提供了新線(xiàn)索。

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博科園｜研究/來(lái)自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《自物理學(xué)》

DOI: 10.1038/s41567-020-0823-y

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