La magnetite è il materiale magnetico più antico conosciuto dall'uomo, eppure i ricercatori sono ancora sconcertati da alcuni aspetti delle sue proprietà.

Per esempio, quando la temperatura scende sotto i 125 kelvin, la magnetite si trasforma da metallo in isolante, i suoi atomi si spostano verso una nuova struttura reticolare, e le sue cariche formano un complicato schema ordinato. Questa trasformazione di fase straordinariamente complessa, che è stato scoperto negli anni '40 ed è noto come transizione di Verwey, è stata la prima transizione metallo-isolante mai osservata. Per decenni, i ricercatori non hanno capito esattamente come stava avvenendo questa trasformazione di fase.

Secondo un articolo pubblicato il 9 marzo in Fisica della natura , un team internazionale di ricercatori sperimentali e teorici ha scoperto le impronte digitali delle quasiparticelle che guidano la transizione di Verwey nella magnetite. Utilizzando un impulso laser ultracorto, i ricercatori sono stati in grado di confermare l'esistenza di particolari onde elettroniche che sono congelate alla temperatura di transizione e iniziano a "danzare insieme" in un movimento oscillatorio collettivo man mano che la temperatura si abbassa.

"Stavamo studiando il meccanismo alla base della transizione di Verwey e abbiamo improvvisamente trovato onde anomale che si congelavano alla temperatura di transizione", ha affermato il postdoc di fisica del MIT Edoardo Baldini, uno degli autori principali dell'articolo. "Sono onde fatte di elettroni che spostano gli atomi circostanti e si muovono collettivamente come fluttuazioni nello spazio e nel tempo".

Questa scoperta è significativa perché nella magnetite non erano mai state trovate onde congelate di alcun tipo. "Abbiamo subito capito che si trattava di oggetti interessanti che cospirano nell'innescare questa transizione di fase molto complessa, " dice la studentessa di fisica del MIT Carina Belvin, l'altro autore principale del documento.

Questi oggetti che formano l'ordine di carica a bassa temperatura nella magnetite sono "trimeroni, " blocchi di costruzione di tre atomi. "Eseguendo un'analisi teorica avanzata, siamo stati in grado di determinare che le onde che abbiamo osservato corrispondono ai trimeroni che scivolano avanti e indietro, " spiega Belvin.

"La comprensione dei materiali quantistici come la magnetite è ancora agli inizi a causa della natura estremamente complessa delle interazioni che creano fasi ordinate esotiche, "aggiunge Baldini.

I ricercatori suggeriscono che il significato più ampio di questa scoperta avrà un impatto sul campo della fisica della materia condensata fondamentale, avanzando nella comprensione di un puzzle concettuale aperto fin dai primi anni Quaranta. Questo lavoro, guidato dal professore di fisica del MIT Nuh Gedik, è stato reso possibile dall'uso della "spettroscopia terahertz ultraveloce, " un apparato laser avanzato basato su impulsi ultracorti nell'infrarosso estremo. Gedik dice, "Questi impulsi laser sono brevi quanto un milionesimo di un milionesimo di secondo e ci consentono di scattare fotografie veloci del mondo microscopico. Il nostro obiettivo ora è applicare questo approccio per scoprire nuove classi di onde collettive in altri materiali quantistici".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.