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.
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.
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.
Verwey átmenet
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)
Itt állíthatod be, hogy a Rakéta az elsők között legyen a Google keresőben
