Magnetiet is het oudste magnetische materiaal dat de mens kent, toch zijn onderzoekers nog steeds verbijsterd door bepaalde aspecten van zijn eigenschappen.

Bijvoorbeeld, wanneer de temperatuur wordt verlaagd tot onder 125 kelvin, magnetiet verandert van een metaal in een isolator, zijn atomen verschuiven naar een nieuwe roosterstructuur, en zijn ladingen vormen een ingewikkeld geordend patroon. Deze buitengewoon complexe fasetransformatie, die in de jaren veertig werd ontdekt en bekend staat als de Verwey-overgang, was de eerste metaal-isolator overgang ooit waargenomen. Al decenia, onderzoekers hebben niet precies begrepen hoe deze fasetransformatie plaatsvond.

Volgens een paper gepubliceerd op 9 maart in Natuurfysica , een internationaal team van experimentele en theoretische onderzoekers ontdekte vingerafdrukken van de quasideeltjes die de Verwey-transitie in magnetiet aandrijven. Met behulp van een ultrakorte laserpuls, de onderzoekers waren in staat om het bestaan ​​van eigenaardige elektronische golven te bevestigen die bevroren zijn bij de overgangstemperatuur en beginnen "samen te dansen" in een collectieve oscillerende beweging als de temperatuur wordt verlaagd.

"We onderzochten het mechanisme achter de Verwey-transitie en we ontdekten plotseling abnormale golven die bevriezen bij de overgangstemperatuur", zegt MIT-natuurkundepostdoc Edoardo Baldini, een van de hoofdauteurs van het papier. "Het zijn golven gemaakt van elektronen die de omringende atomen verplaatsen en collectief bewegen als fluctuaties in ruimte en tijd."

Deze ontdekking is belangrijk omdat er nooit bevroren golven van welke aard dan ook in magnetiet zijn gevonden. "We begrepen meteen dat dit interessante objecten waren die samenspannen om deze zeer complexe faseovergang teweeg te brengen, " zegt MIT natuurkunde promovendus Carina Belvin, de andere hoofdauteur van de krant.

Deze objecten die de ladingsvolgorde bij lage temperatuur in magnetiet vormen, zijn "trimeronen, " drie-atoom bouwstenen. "Door een geavanceerde theoretische analyse uit te voeren, we konden vaststellen dat de golven die we waarnamen overeenkomen met de trimeronen die heen en weer glijden, ", legt Belvin uit.

"Het begrip van kwantummaterialen zoals magnetiet staat nog in de kinderschoenen vanwege de extreem complexe aard van de interacties die exotische geordende fasen creëren, ", voegt Baldini toe.

De onderzoekers suggereren dat de grotere betekenis van deze bevinding van invloed zal zijn op het gebied van de fundamentele fysica van de gecondenseerde materie, het bevorderen van het begrip van een conceptuele puzzel die sinds het begin van de jaren veertig open is. Dit werk, onder leiding van MIT-hoogleraar natuurkunde Nuh Gedik, werd mogelijk gemaakt door het gebruik van "ultrasnelle terahertz-spectroscopie, " een geavanceerd laserapparaat gebaseerd op ultrakorte pulsen in het extreme infrarood. Gedik zegt, "Deze laserpulsen zijn zo kort als een miljoenste van een miljoenste van een seconde en stellen ons in staat om snelle foto's te maken van de microscopische wereld. Ons doel is nu om deze benadering toe te passen om nieuwe klassen van collectieve golven in andere kwantummaterialen te ontdekken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.