Магнетит — это минерал из класса оксидов, который распространён настолько широко, что его можно обнаружить даже в мозге человека. Но не только распространённость делает его уникальным. Одно из свойств магнетита заключается в том, что при охлаждении до температуры ниже 148º C атомы минерала меняют свою кристаллическую решетку, вследствие чего он теряет свои проводниковые свойства становясь диэлектриком. Природу этого свойства физики до сих пор не могут полностью понять и объяснить. Этот фазовый переход был открыт еще в 1939 году и называется переходом Вервея.
Ряд открытий, сделанных физиками за последние несколько лет, приближает их к пониманию структурных механизмов перехода Вервея. Результатами последних исследований данного явления поделилась команда учёных из Массачусетского технологического института, опубликовав его в журнале nature.com. Физики под руководством Эдоардо Балдини применив рентгеноструктурный анализ обнаружили, что низкотемпературная структура магнетита упорядочена как сеть трехполюсных поляронов, их называют тримеронами.
При понижении температуры ионных кристаллов, благодаря сложному взаимодействию внутри его структуры, возможно возбуждение различных пространственных колебаний электронов внутри кристалла. Высока вероятность, что эти колебания и являются основной движущей силой механизма реструктуризации кристаллической решетки при переходе из проводникового в диэлектрическое состояние.
а) Схема тримеронной сети
b) Строение одного тримерона
Также в ходе исследований учёным удалось обнаружить мягкие электронные моды тримеронной сети магнетита. С помощью коротких лазерных импульсов физики смогли в когерентном режиме проконтролировать нужные им электронные моды, чтобы наглядно показать их непосредственное участие в процессе перехода Вервея.
Эти моды заморожены при температуре Вервея и приходят в движение при дальнейшем понижении температуры. Проведя теоретический анализ, ученые показали, что наблюдаемые моды соответствуют именно осциллирующим тримеронам.
Понимание квантовых материалов, таких как магнетит, все еще находится в зачаточном состоянии из-за чрезвычайно сложной природы взаимодействий, — говорит главный автор статьи, Эдоардо Балдини.
В последнее время магнетит достаточно часто становится объектом исследований. Не так давно было обнаружено, что он способен заставлять молекулы воды образовывать пары и тройки. Помимо этого, многие ученые связывают накопление магнетита в мозге с загрязнением воздуха.