​磁鐵礦是人類已知最古老的磁性材料，但研究人員仍對其某些特性感到困惑。例如，當溫度降低到125開爾文以下時，磁鐵礦從金屬轉變為絕緣體，其原子移動到新的晶格結構，其電荷形成複雜的有序圖案。這種異常複雜的相變是在20世紀40年代發現，被稱為Verwey相變，是有史以來第一次觀察到的金屬-絕緣體相變。

幾十年來，研究人員一直沒有確切了解這種相變是如何發生的。現在發表在《自然物理學》期刊上一項新研究中，一個由實驗和理論研究人員組成的國際研究團隊，發現了驅動磁鐵礦中Verwey轉變的準粒子的指紋。使用超短鐳射脈衝，研究人員能夠確認在轉變溫度凍結的特殊電子波的存在，並隨著溫度降低開始以集體振盪運動的方式“一起跳舞”。

（上圖所示）在這幅圖中，紅色鐳射束觸發了新發現磁鐵礦中電子波的舞蹈。圖片：Ambra Garlaschelli

該論文的主要作者之一、麻省理工學院物理學博士後愛德華多·巴爾迪尼(Edoardo Baldini)說：我們當時正在研究Verwey轉變背後的機制，突然發現異常波在轉變溫度下凍結，它們是由電子組成的波，它們取代周圍的原子，作為空間和時間的波動集體運動。這一發現意義重大，因為在磁鐵礦中從未發現過任何形式的凍結波。

該研究另一位主要作者、麻省理工學院物理學博士生卡琳娜·貝爾文說：我們立即意識到，這些有趣的物體合謀觸發了這一非常複雜的相變。這些在磁鐵礦中形成低溫電荷順序的物體是“三聚體”，即三原子積木，通過進行先進的理論分析，能夠確定所觀察到的波對應於三聚體來回滑動。對像磁鐵礦這樣的量子材料的理解仍處於初級階段，因為產生奇異有序相的相互作用具有極其複雜的性質。

研究人員認為，這一發現的更大意義將影響基本凝聚態物理領域，推進對這一自20世紀40年代初以來一直懸而未決概念之謎的理解。這項由麻省理工學院物理學教授努赫·格迪克領導的研究，是通過使用“超快太赫茲光譜學”實現的，這是一種基於極紅外超短脈衝的先進鐳射裝置。這些鐳射脈衝長度只有百萬分之一秒，可以讓研究人員快速拍攝微觀世界的照片，現在的目標是應用這種方法在其他量子材料中發現新的集合波。

磁鐵礦(Fe3O4)中的Verwey轉變，是第一次觀察到的金屬-絕緣體轉變，它涉及到伴隨的結構重排和電荷軌道有序化。由於這些相互交織的自由度的複雜相互作用，對磁鐵礦低溫相的完整表徵和驅動轉變的機制長期以來一直難以捉摸近年來的研究表明，電荷有序結構的基本構件是稱為三聚體的小極化子。然而，到目前為止還沒有探測到這種三聚體有序的電子集體模。

因此從電子學角度對Verwey躍遷動力學的理解仍然是缺乏的，研究發現了使用太赫茲光對三聚體低能電子激發的光譜特徵。通過用超短鐳射脈衝相干驅動這些模，揭示了它們的臨界軟化，從而證明它們直接參與了Verwey相變，這些發現為磁鐵礦奇特基態起源的參與機制提供了新線索。

參考期刊《自物理學》

DOI: 10.1038/s41567-020-0823-y