Магнетит є найстарішим магнітним матеріалом, відомим людям, проте дослідники досі не розуміють деякі аспекти його властивостей.
Наприклад, коли температура знижується нижче 125 кельвінів, магнетит перетворюється з металу в ізолятор, його атоми переходять в нову решіткову структуру, а його заряди утворюють складну впорядковану структуру. Це надзвичайно складне фазове перетворення, яке було відкрито в 1940-х роках і відоме як перехід Вервея, було першим з коли-небудь спостерігалися переходів метал-ізолятор. Протягом десятиліть вчені не розуміли, як саме відбувалася ця фазова трансформація.
Згідно зі статтею, опублікованою в журналі «Nature Physics», міжнародна група експериментальних і теоретичних дослідників виявила відбитки квазічастинок, які керують переходом Вервея в магнетиті. Використовуючи ультракороткий лазерний імпульс, дослідники змогли підтвердити існування своєрідних електронних хвиль, які застигають при температурі переходу і починають «танцювати разом» у колективному коливальному русі при зниженні температури.
«Ми досліджували механізм переходу Вервея і несподівано виявили аномальні хвилі, що застигають при температурі переходу», - сказав фізик MIT Едуардо Балдіні, один з провідних авторів статті. «Це хвилі, що складаються з електронів, які зміщують навколишні атоми і колективно рухаються як коливання в просторі і часі».
Це відкриття є значним, оскільки в магнетиті ніколи не було виявлено будь-яких застиглих хвиль. «Ми відразу зрозуміли, що це були цікаві об'єкти, які разом запускають цей дуже складний фазовий перехід», - кажуть вчені.
Ці об'єкти, які формують низькотемпceний порядок заряду в магнетиті, є «тримеронами», триатомними будівельними блоками. Провівши поглиблений теоретичний аналіз, вчені змогли визначити, що спостережувані хвилі відповідають тримеронам, що ковзають взад і вперед.
«Розуміння квантових матеріалів, таких як магнетит, все ще знаходиться в зародковому стані через надзвичайно складну природу взаємодій, які створюють екзотичні впорядковані фази», - додає Балдіні.
Дослідники припускають, що більше значення цього відкриття вплине на фундаментальну фізику конденсованого стану, просуваючи розуміння концептуальної загадки, яка була відкрита з початку 1940-х років.
Ця робота, очолювана професором фізики з Массачусетського технологічного інституту Нухом Гедиком, стала можливою завдяки використанню «надшвидкої терагерцевої спектроскопії», просунутого лазерного апарату, заснованого на надкоротких імпульсах в екстремальному інфрачервоному діапазоні.
"Ці лазерні імпульси становлять лише одну мільйонну частину мільйонної частки секунди і дозволяють нам швидко фотографувати мікроскопічний світ. Тепер наша мета - застосувати цей підхід для відкриття нових класів колективних хвиль в інших квантових матеріалах ".