Táncoló elektronok és a magnetit egzotikus kvantum-tulajdonságai

2020 / 06 / 15 / Justin Viktor

#magnetit #elektronok tánca #Przemyslaw Piekarz #Verwey-átmenet

Táncoló elektronok és a magnetit egzotikus kvantum-tulajdonságai

Az anyag elképesztően változatos tulajdonságokat, fázisokat, átmeneteket képes produkálni a környezeti paraméterek - melyekből akad szép számmal - változásának függvényében. Talán még az is kijelenthető, hogy a számtalan különféle anyagból egyiket sem ismerjük még "igazán", hiszen ehhez rengeteg kísérletet kell elvégezni, és szinte garantáltak az izgalmas, nagy meglepetések. Most épp a magnetit, a legrégebben ismert mágnes van soron.

Régi anyag

A magnetit egy természetben is előforduló vasoxid-ásvány (Fe3O4), az emberiség által legrégebben felfedezett mágneses anyag. Ez egy általános ásvány, erős mágneses tulajdonságokkal, széles körben használják a katalitikus folyamatokban.

Egy új kutatás során a tudósok most feltárták a magnetitban rejlőt egzotikus kvantumtulajdonságokat. A tanulmány alacsony energiájú hullámok létezésére derített fényt, melyek az elektromos kölcsönhatások kritikus szerepét jelzik a kristályráccsal.

A kutatók megerősítették, hogy léteznek olyan elektromos hullámok, amelyek mínusz 148,15 Celsius fokokos átmeneti hőmérsékleten megfagynak, és ha a hőmérsékletet csökkentjük, kollektív oszcilláló mozgással kezdenek el együtt “táncolni”. Az ábrán egy vörös lézernyaláb indítja el az újonnan felfedezett elektronikus hullámok táncát a magnetitben. (Kép: Ambra Garlaschelli)

Összegyetemi erőfeszítés

A kutatás elsődleges célja az volt, hogy meghatározzák a gerjesztések szerepét a magnetit töltésrendelő átmenetében (charge-orbital order) és fejlett elméleti módszerekkel leírják azokat. A kísérletek több helyszínen folytak, az MIT-n, az AGH Tudományos és Technológiai Egyetemen, ahol a szintetizált magnetitmintákat készítették, a Lengyel Tudományos Akadémia Nukleáris Fizikai Intézetében valamint elméleti elemzéseket végeztek a Jagiellonian University-n és a Max Planck Intézetben, a Római Egyetemen, az Északkeleti Egyetemen, az Austini Texasi Egyetemen és az Ostravai Műszaki Egyetemen.

Przemyslaw Piekarz professzor, a Lengyel Tudományos Akadémia Nukleáris Fizikai Intézetéből elmondta:

“Évek óta végzünk kutatásokat a magnetitről, az “első alapelvek” számítási módszerével. Ezek a kutatások rámutattak, hogy az elektronok erős kölcsönhatása a rácsvibrációkkal (fononok) létfontosságú szerepet játszik a Verwey-átmenetben."

A kísérletek

A tudósok számos különböző hőmérsékleten számszerűsítették a magnetit optikai válaszát szélsőséges infravörös fényben. Ezután ultrarövid lézerimpulzussal (szivattyúnyalábbal) megvilágították a kristályt, és késleltetett szondaimpulzussal megbecsülték a távoli infravörös abszorpció változását.

Nuh Gedik professzor, az MIT kutatócsoportjának vezetője elmondta: "Ez egy nagy teljesítményű optikai technológia, amely lehetővé tette számunkra, hogy közelebbről vizsgáljuk meg a kvantumvilágot irányító ultragyors jelenségeket."

A becslések feltárták a trimeron sorrend alacsony energiájú gerjesztéseit, amelyek megfeleltek a rácsdeformációnak. A két koherens állapot energiája nullára csökken, amikor a Verwey-átmenet felé haladnak - ezzel demonstrálva alapvető viselkedésüket ezen átalakulás közelében.

Verwey átmenet

A Verwey átmenet egy alacsony hőmérsékletű fázisátalakulás az ásványi magnetitben mínusz 148 Celsius fok közelében, mely az ásvány mágneses, elektromos és termikus tulajdonságainak megváltozásával kapcsolatos. A Verwey átmeneti hőmérsékleten (TV) történő átmelegedéskor a magnetit kristályrács egy monoklinikus szerkezetű szigetelőből átváltozik a szobahőmérsékleten fennmaradó fém köbös fordított spinellszerkezetre. A jelenséget Evert Verwey holland vegyészről nevezték el, aki először az 1940-es években ismerte fel a szerkezeti átmenet és a magnetit fizikai tulajdonságainak megváltozása közötti kapcsolatot. Ez volt az első fém-szigetelő átmenet, amelyet felfedeztek.

A fejlett elméleti modellek lehetővé tették a tudósok számára, hogy az újonnan felfedezett gerjesztéseket a polaronok koherens alagútjaként írják le. Az alagútfolyamat energiagátját és az egyéb modellparamétereket a sűrűségfüggvény elmélet (DFT) alkalmazásával számították ki, a molekulák és kristályok kvantummechanikai leírása alapján.

Ezeknek a hullámoknak a Verwey-átmenetben való részvételét a Ginzburg-Landau modell alkalmazásával is megerősítették. Végül a számítások kizárták a megfigyelt jelenség egyéb lehetséges magyarázatait, ideértve a szokásos fononokat és az orbitális gerjesztéseket. Dr. Edoardo Baldini és Carina Belvin, a MIT, a kutatás eredményeit közzétevő tanulmány vezető szerzői elmondták:

„Ezeknek a hullámoknak a felfedezése kulcsfontosságú az alacsony hőmérsékletű magnetit tulajdonságainak és a Verwey-átmenet mechanizmusának megértése szempontjából. Tágabb értelemben ezek az eredmények felfedik, hogy az ultragyors optikai módszerek és a legkorszerűbb számítások kombinációja lehetővé teszi a kvantumanyagok tanulmányozását, melyek töltéssel és töltésrendelő átmenettel (charge-orbital order) rendelkező egzotikus anyag-állapotokból állnak."

Az eredmények

A kapott eredmények néhány jelentős eredményt jeleznek.

Először is, a magnetit trimeron sorrendje elemi gerjesztéssel rendelkezik, amelynek vitalitása hiányos, megtartva a sugárzást az elektromágneses spektrum távoli infravörös tartományában.
Másodszor, ezeket a gerjesztéseket valójában a töltés és a rács deformációjának kollektív ingadozása eredményezi, amely alapvető viselkedést mutat, és ennek megfelelően kapcsolódik a Verwey-átmenethez.
Végezetül az eredmények új fényt vetnek az együttműködési mechanizmusra és a dinamikus tulajdonságokra, amelyek ennek a bonyolult fázisátmenetnek az alapját képezik.

Piekarz professzor elmondásában: "Ami a következő munkafázisokat illeti, csapatunk jövőbeli terveivel kapcsolatban az elméleti számítások elvégzésére koncentrálunk, amelyek célja a megfigyelt összekapcsolt elektromos-szerkezeti hullámok jobb megértése."

(Forrás: NaturePhysics Képek: WPF, Ambra Garlaschelli)