• Home
  • Chimica
  • Astronomia
  • Energia
  • Natura
  • Biologia
  • Fisica
  • Elettronica
  •  science >> Scienza >  >> Fisica
    Scoperto un nuovo tipo di onde elettronico-strutturali accoppiate nella magnetite

    Illustrazione delle fluttuazioni di carica recentemente scoperte nell'ordine trimero della magnetite innescate da un raggio laser. Crediti:Fonte:Ambra Garlaschelli e MIT

    Un team internazionale di scienziati ha scoperto proprietà quantistiche esotiche nascoste nella magnetite, il più antico materiale magnetico conosciuto dall'umanità. Lo studio rivela l'esistenza di onde a bassa energia che indicano l'importante ruolo delle interazioni elettroniche con il reticolo cristallino. Questo è un altro passo verso la piena comprensione del meccanismo di transizione di fase metallo-isolante nella magnetite, e in particolare, per conoscere le proprietà dinamiche e il comportamento critico di questo materiale in prossimità della temperatura di transizione.

    Magnetite (Fe 3 oh 4 ) è un minerale comune con forti proprietà magnetiche che sono state documentate nell'antica Grecia. Inizialmente, era usato principalmente nei compassi, e successivamente in molti altri dispositivi, come strumenti di registrazione dei dati. È anche ampiamente applicato ai processi catalitici. Anche gli animali beneficiano delle proprietà della magnetite nel rilevare i campi magnetici, ad esempio la magnetite nel becco degli uccelli può aiutarli nella navigazione.

    Anche i fisici sono interessati alla magnetite perché intorno a una temperatura di 125 K, mostra una transizione di fase esotica, prende il nome dal chimico olandese Verwey. Questa transizione di Verwey è stata anche la prima fase di trasformazione da metallo a isolante osservata storicamente. Durante questo processo estremamente complesso, la conducibilità elettrica cambia fino a due ordini di grandezza e avviene un riarrangiamento della struttura cristallina. Verwey ha proposto un meccanismo di trasformazione basato sulla posizione degli elettroni sugli ioni di ferro, che porta alla comparsa di una distribuzione spaziale periodica di Fe 2 + e Fe 3 + carica a basse temperature.

    Negli ultimi anni, studi strutturali e calcoli avanzati hanno confermato l'ipotesi di Verwey, rivelando un modello molto più complesso di distribuzione di carica (16 posizioni non equivalenti di atomi di ferro) e dimostrando l'esistenza di un ordine orbitale. I componenti fondamentali di questo ordinamento carica-orbitale sono i polaroni, quasiparticelle formate come risultato di una deformazione locale del reticolo cristallino causata dall'interazione elettrostatica di una particella carica (elettrone o foro) che si muove nel cristallo. Nel caso della magnetite, i polaroni prendono la forma di trimeroni, complessi costituiti da tre ioni di ferro, dove l'atomo interno ha più elettroni dei due atomi esterni.

    Il nuovo studio, pubblicato sulla rivista Fisica della natura , è stato condotto da scienziati di molti importanti centri di ricerca in tutto il mondo. Il suo scopo era quello di scoprire sperimentalmente le eccitazioni coinvolte nell'ordine carica-orbitale della magnetite e descriverle mediante metodi teorici avanzati. La parte sperimentale è stata eseguita al MIT (Edoardo Baldini, Carina Belvin, Ilkem Ozge Ozel, Nuh Gedik); campioni di magnetite sono stati sintetizzati presso l'AGH University of Science and Technology (Andrzej Kozlowski); e le analisi teoriche sono state effettuate in diversi luoghi:l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (Przemyslaw Piekarz, Krzysztof Parlinski), l'Università Jagellonica e l'Istituto Max Planck (Andrzej M. Oles), l'Università di Roma "La Sapienza" (Jose Lorenzana), Northeastern University (Gregory Fiete), l'Università del Texas ad Austin (Martin Rodriguez-Vega), e l'Università Tecnica di Ostrava (Dominik Legut).

    "All'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze, da molti anni conduciamo studi sulla magnetite, utilizzando il metodo di calcolo dei primi principi, " spiega il prof. Przemyslaw Piekarz. "Questi studi hanno indicato che la forte interazione degli elettroni con le vibrazioni del reticolo (fononi) gioca un ruolo importante nella transizione di Verwey".

    Gli scienziati del MIT hanno misurato la risposta ottica della magnetite nell'infrarosso estremo per diverse temperature. Quindi, hanno illuminato il cristallo con un impulso laser ultracorto (raggio di pompa) e misurato il cambiamento nell'assorbimento dell'infrarosso lontano con un impulso ritardato della sonda. "Questa è una potente tecnica ottica che ci ha permesso di osservare più da vicino i fenomeni ultraveloci che governano il mondo quantistico, "dice il prof. Nuh Gedik, capo del gruppo di ricerca del MIT.

    Le misurazioni hanno rivelato l'esistenza di eccitazioni a bassa energia dell'ordine trimero, che corrispondono a oscillazioni di carica accoppiate ad una deformazione reticolare. L'energia di due modi coerenti diminuisce a zero quando ci si avvicina alla transizione di Verwey, indicando il loro comportamento critico vicino a questa trasformazione. Modelli teorici avanzati hanno permesso loro di descrivere le eccitazioni appena scoperte come un tunnel coerente di polaroni. La barriera energetica per il processo di tunneling e altri parametri del modello sono stati calcolati utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT), basata sulla descrizione quanto-meccanica di molecole e cristalli. Il coinvolgimento di queste onde nella transizione di Verwey è stato confermato utilizzando il modello Ginzburg-Landau. Finalmente, i calcoli hanno anche escluso altre possibili spiegazioni per il fenomeno osservato, compresi i fononi convenzionali e le eccitazioni orbitali.

    "La scoperta di queste onde è di fondamentale importanza per comprendere le proprietà della magnetite a basse temperature e il meccanismo di transizione di Verwey, " scrivono il Dott. Edoardo Baldini e Carina Belvin del MIT, gli autori principali dell'articolo. «In un contesto più ampio, questi risultati rivelano che la combinazione di metodi ottici ultraveloci e calcoli all'avanguardia rende possibile studiare materiali quantistici che ospitano fasi esotiche della materia con carica e ordine orbitale".

    I risultati ottenuti portano ad alcune importanti conclusioni. Primo, l'ordine trimero nella magnetite ha eccitazioni elementari con un'energia molto bassa, assorbendo la radiazione nella regione del lontano infrarosso dello spettro elettromagnetico. Secondo, queste eccitazioni sono fluttuazioni collettive di carica e deformazioni reticolari che mostrano un comportamento critico e sono quindi coinvolte nella transizione di Verwey. Finalmente, i risultati gettano nuova luce sul meccanismo cooperativo e sulle proprietà dinamiche che sono all'origine di questa complessa transizione di fase.

    "Per quanto riguarda i piani per il futuro della nostra squadra, come parte delle prossime fasi di lavoro intendiamo concentrarci sulla conduzione di calcoli teorici volti a comprendere meglio le onde accoppiate elettronico-strutturali osservate, " conclude il prof. Piekarz.


    © Scienza http://it.scienceaq.com