La magnétite est le plus ancien matériau magnétique connu de l'homme, pourtant, les chercheurs sont encore mystifiés par certains aspects de ses propriétés.

Par exemple, lorsque la température est abaissée en dessous de 125 kelvins, la magnétite passe d'un métal à un isolant, ses atomes se déplacent vers une nouvelle structure de réseau, et ses charges forment un modèle ordonné compliqué. Cette transformation de phase extraordinairement complexe, découverte dans les années 40 et connue sous le nom de transition de Verwey, a été la première transition métal-isolant jamais observée. Depuis des décennies, les chercheurs n'ont pas compris exactement comment cette transformation de phase se produisait.

Selon un article publié le 9 mars dans Physique de la nature , une équipe internationale de chercheurs expérimentaux et théoriques a découvert les empreintes digitales des quasiparticules qui entraînent la transition de Verwey dans la magnétite. A l'aide d'une impulsion laser ultracourte, les chercheurs ont pu confirmer l'existence d'ondes électroniques particulières qui sont gelées à la température de transition et commencent à « danser ensemble » dans un mouvement oscillant collectif à mesure que la température baisse.

"Nous étudiions le mécanisme derrière la transition de Verwey et nous avons soudainement trouvé des ondes anormales gelant à la température de transition", a déclaré le postdoctorant en physique du MIT Edoardo Baldini, l'un des principaux auteurs de l'article. "Ce sont des ondes faites d'électrons qui déplacent les atomes environnants et se déplacent collectivement sous forme de fluctuations dans l'espace et le temps."

Cette découverte est importante car aucune vague gelée d'aucune sorte n'a jamais été trouvée dans la magnétite. "Nous avons tout de suite compris qu'il s'agissait d'objets intéressants qui concourent à déclencher cette transition de phase très complexe, " déclare Carina Belvin, doctorante en physique au MIT, l'autre auteur principal de l'article.

Ces objets qui forment l'ordre de charge à basse température dans la magnétite sont des « trimérones, " blocs de construction à trois atomes. " En effectuant une analyse théorique avancée, nous avons pu déterminer que les ondes que nous avons observées correspondent aux trimères glissant d'avant en arrière, " explique Belvin.

"La compréhension des matériaux quantiques tels que la magnétite en est encore à ses balbutiements en raison de la nature extrêmement complexe des interactions qui créent des phases ordonnées exotiques, " ajoute Baldini.

Les chercheurs suggèrent que la plus grande importance de cette découverte aura un impact sur le domaine de la physique fondamentale de la matière condensée, faire avancer la compréhension d'un puzzle conceptuel ouvert depuis le début des années 40. Ce travail, dirigé par le professeur de physique du MIT Nuh Gedik, a été rendu possible par l'utilisation de la « spectroscopie térahertz ultrarapide, " un appareil laser avancé basé sur des impulsions ultracourtes dans l'infrarouge extrême. Gedik dit, "Ces impulsions laser sont aussi courtes qu'un millionième d'un millionième de seconde et nous permettent de prendre des photographies rapides du monde microscopique. Notre objectif est maintenant d'appliquer cette approche pour découvrir de nouvelles classes d'ondes collectives dans d'autres matériaux quantiques."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.