Uma equipe internacional de cientistas descobriu propriedades quânticas exóticas escondidas na magnetita, o mais antigo material magnético conhecido pela humanidade. O estudo revela a existência de ondas de baixa energia que indicam o importante papel das interações eletrônicas com a rede cristalina. Este é outro passo para compreender totalmente o mecanismo de transição de fase metal-isolante na magnetita, e em particular, para aprender sobre as propriedades dinâmicas e comportamento crítico deste material na vizinhança da temperatura de transição.

Magnetita (Fe ₃ O ₄ ) é um mineral comum com fortes propriedades magnéticas que foram documentadas na Grécia antiga. Inicialmente, era usado principalmente em bússolas, e mais tarde em muitos outros dispositivos, como ferramentas de registro de dados. Também é amplamente aplicado a processos catalíticos. Mesmo os animais se beneficiam das propriedades da magnetita na detecção de campos magnéticos - por exemplo, a magnetita nos bicos dos pássaros pode auxiliá-los na navegação.

Os físicos também estão interessados ​​na magnetita porque em torno de uma temperatura de 125 K, mostra uma transição de fase exótica, em homenagem ao químico holandês Verwey. Essa transição de Verwey também foi a primeira transformação de fase metal-isolante observada historicamente. Durante este processo extremamente complexo, a condutividade elétrica muda em até duas ordens de magnitude e ocorre um rearranjo da estrutura cristalina. Verwey propôs um mecanismo de transformação baseado na localização de elétrons em íons de ferro, o que leva ao aparecimento de uma distribuição espacial periódica de Fe ₂ ⁺ e Fe ₃ ⁺ cargas em baixas temperaturas.

Nos últimos anos, estudos estruturais e cálculos avançados confirmaram a hipótese de Verwey, enquanto revela um padrão muito mais complexo de distribuição de carga (16 posições não equivalentes de átomos de ferro) e prova a existência de ordem orbital. Os componentes fundamentais dessa ordem orbital de carga são polarons - quasipartículas formadas como resultado de uma deformação local da rede cristalina causada pela interação eletrostática de uma partícula carregada (elétron ou buraco) movendo-se no cristal. No caso da magnetita, os polarons assumem a forma de trímeros, complexos feitos de três íons de ferro, onde o átomo interno tem mais elétrons do que os dois átomos externos.

O novo estudo, publicado no jornal Física da Natureza , foi realizado por cientistas de muitos centros de pesquisa importantes em todo o mundo. Seu objetivo era descobrir experimentalmente as excitações envolvidas na ordem orbital de carga da magnetita e descrevê-las por meio de métodos teóricos avançados. A parte experimental foi realizada no MIT (Edoardo Baldini, Carina Belvin, Ilkem Ozge Ozel, Nuh Gedik); amostras de magnetita foram sintetizadas na AGH University of Science and Technology (Andrzej Kozlowski); e as análises teóricas foram realizadas em vários locais:o Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (Przemyslaw Piekarz, Krzysztof Parlinski), a Universidade Jagiellonian e o Instituto Max Planck (Andrzej M. Oles), a Universidade de Roma "La Sapienza" (Jose Lorenzana), Northeastern University (Gregory Fiete), a Universidade do Texas em Austin (Martin Rodriguez-Vega), e a Universidade Técnica de Ostrava (Dominik Legut).

"No Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências, temos conduzido estudos sobre magnetita por muitos anos, usando o método de cálculo dos primeiros princípios, "explica o Prof Przemyslaw Piekarz." Esses estudos indicaram que a forte interação dos elétrons com as vibrações da rede (fônons) desempenha um papel importante na transição de Verwey. "

Os cientistas do MIT mediram a resposta óptica da magnetita no infravermelho extremo para várias temperaturas. Então, eles iluminaram o cristal com um pulso de laser ultracurto (feixe de bombeamento) e mediram a mudança na absorção do infravermelho distante com um pulso de sonda atrasado. "Esta é uma técnica ótica poderosa que nos permitiu ter uma visão mais próxima dos fenômenos ultrarrápidos que governam o mundo quântico, "diz o Prof. Nuh Gedik, chefe do grupo de pesquisa do MIT.

As medições revelaram a existência de excitações de baixa energia da ordem dos trímeros, que correspondem a oscilações de carga acopladas a uma deformação de rede. A energia de dois modos coerentes diminui para zero ao se aproximar da transição de Verwey - indicando seu comportamento crítico próximo a essa transformação. Modelos teóricos avançados permitiram-lhes descrever as excitações recém-descobertas como um tunelamento coerente de polarons. A barreira de energia para o processo de tunelamento e outros parâmetros do modelo foram calculados usando a teoria do funcional da densidade (DFT), baseado na descrição mecânica quântica de moléculas e cristais. O envolvimento dessas ondas na transição de Verwey foi confirmado usando o modelo Ginzburg-Landau. Finalmente, os cálculos também descartaram outras possíveis explicações para o fenômeno observado, incluindo fônons convencionais e excitações orbitais.

“A descoberta dessas ondas é de fundamental importância para a compreensão das propriedades da magnetita em baixas temperaturas e do mecanismo de transição de Verwey, "escrevem o Dr. Edoardo Baldini e Carina Belvin do MIT, os principais autores do artigo. "Em um contexto mais amplo, esses resultados revelam que a combinação de métodos ópticos ultrarrápidos e cálculos de última geração torna possível estudar materiais quânticos que hospedam fases exóticas da matéria com carga e ordem orbital. "

Os resultados obtidos levam a várias conclusões importantes. Primeiro, a ordem do trímero na magnetita tem excitações elementares com uma energia muito baixa, absorção de radiação na região do infravermelho distante do espectro eletromagnético. Segundo, essas excitações são flutuações coletivas de carga e deformações de rede que exibem comportamento crítico e, portanto, estão envolvidas na transição de Verwey. Finalmente, os resultados lançam uma nova luz sobre o mecanismo cooperativo e as propriedades dinâmicas que estão na origem desta complexa transição de fase.

“Quanto aos planos para o futuro da nossa equipa, como parte das próximas etapas de trabalho pretendemos focar na realização de cálculos teóricos visando melhor compreensão das ondas eletroestruturais acopladas observadas, "conclui o Prof. Piekarz.