Un equipo internacional de científicos descubrió exóticas propiedades cuánticas ocultas en la magnetita, el material magnético más antiguo conocido por la humanidad. El estudio revela la existencia de ondas de baja energía que indican el importante papel de las interacciones electrónicas con la red cristalina. Este es otro paso hacia la comprensión completa del mecanismo de transición de fase del aislante metálico en la magnetita, y en particular, conocer las propiedades dinámicas y el comportamiento crítico de este material en las proximidades de la temperatura de transición.

Magnetita (Fe ₃ O ₄ ) es un mineral común con fuertes propiedades magnéticas que se documentaron en la antigua Grecia. Inicialmente, se usó principalmente en brújulas, y luego en muchos otros dispositivos, como herramientas de grabación de datos. También se aplica ampliamente a los procesos catalíticos. Incluso los animales se benefician de las propiedades de la magnetita para detectar campos magnéticos, por ejemplo, la magnetita en los picos de las aves puede ayudarles en la navegación.

Los físicos también están interesados ​​en la magnetita porque alrededor de una temperatura de 125 K, muestra una transición de fase exótica, el nombre del químico holandés Verwey. Esta transición de Verwey fue también la primera fase de transformación de metal a aislante observada históricamente. Durante este proceso extremadamente complejo, la conductividad eléctrica cambia hasta en dos órdenes de magnitud y se produce una reordenación de la estructura cristalina. Verwey propuso un mecanismo de transformación basado en la ubicación de los electrones en los iones de hierro, que conduce a la aparición de una distribución espacial periódica de Fe ₂ ⁺ y Fe ₃ ⁺ cargas a bajas temperaturas.

En años recientes, estudios estructurales y cálculos avanzados han confirmado la hipótesis de Verwey, al tiempo que revela un patrón mucho más complejo de distribución de carga (16 posiciones no equivalentes de átomos de hierro) y prueba la existencia de un orden orbital. Los componentes fundamentales de este orden de carga-orbital son los polarones, cuasipartículas formadas como resultado de una deformación local de la red cristalina causada por la interacción electrostática de una partícula cargada (electrón o hueco) que se mueve en el cristal. En el caso de la magnetita, los polarones toman la forma de trimerones, complejos formados por tres iones de hierro, donde el átomo interno tiene más electrones que los dos átomos externos.

El nuevo estudio, publicado en la revista Física de la naturaleza , fue llevado a cabo por científicos de muchos centros de investigación líderes en todo el mundo. Su propósito era descubrir experimentalmente las excitaciones involucradas en el orden de carga-orbital de la magnetita y describirlas por medio de métodos teóricos avanzados. La parte experimental se realizó en el MIT (Edoardo Baldini, Carina Belvin, Ilkem Ozge Ozel, Nuh Gedik); las muestras de magnetita se sintetizaron en la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH (Andrzej Kozlowski); y los análisis teóricos se llevaron a cabo en varios lugares:el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (Przemyslaw Piekarz, Krzysztof Parlinski), la Universidad Jagellónica y el Instituto Max Planck (Andrzej M. Oles), la Universidad de Roma "La Sapienza" (José Lorenzana), Universidad del Noreste (Gregory Fiete), la Universidad de Texas en Austin (Martín Rodríguez-Vega), y la Universidad Técnica de Ostrava (Dominik Legut).

"En el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia, llevamos muchos años realizando estudios sobre magnetita, utilizando el método de cálculo de los primeros principios, ", explica el profesor Przemyslaw Piekarz." Estos estudios han indicado que la fuerte interacción de los electrones con las vibraciones de la red (fonones) juega un papel importante en la transición de Verwey ".

Los científicos del MIT midieron la respuesta óptica de la magnetita en el infrarrojo extremo para varias temperaturas. Luego, iluminaron el cristal con un pulso láser ultracorto (haz de bombeo) y midieron el cambio en la absorción del infrarrojo lejano con un pulso de sonda retardado. "Esta es una poderosa técnica óptica que nos permitió observar más de cerca los fenómenos ultrarrápidos que gobiernan el mundo cuántico, "dice el profesor Nuh Gedik, jefe del grupo de investigación del MIT.

Las mediciones revelaron la existencia de excitaciones de baja energía del orden de los trimerones, que corresponden a oscilaciones de carga acopladas a una deformación reticular. La energía de dos modos coherentes disminuye a cero cuando se acercan a la transición de Verwey, lo que indica su comportamiento crítico cerca de esta transformación. Los modelos teóricos avanzados les permitieron describir las excitaciones recién descubiertas como un túnel coherente de polarones. La barrera de energía para el proceso de tunelización y otros parámetros del modelo se calcularon utilizando la teoría funcional de densidad (DFT), basado en la descripción mecánico-cuántica de moléculas y cristales. La participación de estas ondas en la transición de Verwey se confirmó utilizando el modelo de Ginzburg-Landau. Finalmente, los cálculos también descartaron otras posibles explicaciones para el fenómeno observado, incluyendo fonones convencionales y excitaciones orbitales.

"El descubrimiento de estas ondas es de importancia clave para comprender las propiedades de la magnetita a bajas temperaturas y el mecanismo de transición de Verwey, "escribe al Dr. Edoardo Baldini y Carina Belvin del MIT, los autores principales del artículo. "En un contexto más amplio, estos resultados revelan que la combinación de métodos ópticos ultrarrápidos y cálculos de última generación hace posible estudiar materiales cuánticos que albergan fases exóticas de la materia con carga y orden orbital ".

Los resultados obtenidos conducen a varias conclusiones importantes. Primero, el orden de los trimerones en la magnetita tiene excitaciones elementales con una energía muy baja, absorbiendo radiación en la región del infrarrojo lejano del espectro electromagnético. Segundo, estas excitaciones son fluctuaciones colectivas de carga y deformaciones de celosía que exhiben un comportamiento crítico y, por lo tanto, están involucradas en la transición de Verwey. Finalmente, los resultados arrojan nueva luz sobre el mecanismo cooperativo y las propiedades dinámicas que se encuentran en el origen de esta compleja transición de fase.

"En cuanto a los planes para el futuro de nuestro equipo, Como parte de las próximas etapas de trabajo, pretendemos centrarnos en la realización de cálculos teóricos destinados a comprender mejor las ondas electrónico-estructurales acopladas observadas, "concluye el profesor Piekarz.