3个铁原子对应4个氧原子。磁铁矿是人类已知的最古老的矿物之一，多年来人们一直用它来研究磁性。
今天，磁铁矿仍然在现代物理学家——包括东北大学的研究人员——那里，他们在寻找一个隐藏在其原子结构深处的长期谜题的线索。
由于控制磁铁矿电子行为和原子排列方式的基本物理原理，当磁铁矿冷却到125k(大约是木星的冰冻卫星木卫二的温度)时，就会失去导电能力。在那样的温度下，这种材料就会从传输电荷的金属变成不传输电荷的绝缘体。
研究小组的发现给了他们一个更好的想法，即有朝一日他们如何通过激光的“挠痒痒”来控制磁铁矿的性质。Matthew Modoono/东北大学拍摄
几十年来，科学家们一直试图全面了解磁铁矿原子内部的机制，这些机制导致了这种难以捉摸的向绝缘状态的转变。这就是为什么美国东北大学(Northeastern university)物理学教授格雷戈里·费伊特(Gregory Fiete)和博士后研究员马丁·罗德里格斯-织布(Martin Rodriguez-Vega)与一个全球合作者小组合作，深入研究磁铁矿的内部构造。
研究小组用激光拍摄磁铁矿晶体，当激光的光粒子刺激原子时，密切观察晶体的行为。他们第一次观察到磁铁矿的电子对激光的反应的新方式。这些激发态表明了磁铁矿的电子，以及它们在晶体结构中的排列方式，是如何随着它们把材料变成绝缘体而改变的。
Rodriguez-Vega说:“你(用激光)使材料失去平衡，这一事实开辟了一个全新的可能性领域。”
Fiete专注于研究不同材料的奇异特性，他说，研究小组的发现让他们更好地了解到，有朝一日如何通过激光的“挠痒痒”来控制磁铁矿的特性。
让东西变得更好的秘密是什么?用激光射击。
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Fiete说:“这是朝着拥有一种材料的方向迈出的又一步，通过在其上发射激光，它实际上改变了它能为我们做什么。”“把一种材料变成两种，甚至更多。”
这项发现发表在《自然物理》杂志上，是一项现代技术的成果。这项技术首先用激光对一种材料进行爆炸，然后用另一种能量较低的激光，以超快的万亿分之一秒的速度探测它的反应。
Rodriguez-Vega和Fiete利用从激光反射中收集的数据来模拟磁铁矿的导电性。
Rodriguez-Vega说:“从实验数据中，我们可以推断出这些实验之前不知道的激发态的存在。”“最先进的数值计算很难处理这个(磁铁矿)系统，因为它在一个单元中有太多的原子，所以变得非常棘手。”
在实验中，研究人员观察到三分子的特定振荡模式，三分子是由三个铁离子组成的基本单位，它们在磁铁矿的结构中对称排列。这些振荡伴随着电子间基本相互作用的改变。
该团队在磁铁矿中测量这种行为的能力表明，它的电子共同作用形成三聚体，随着导电性的降低，三聚体协同工作。
这种奇异的晶体正在推动量子革命
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Rodriguez-Vega说:“磁铁矿中复杂的相互作用导致这些单元的形成，这些单元一起排列在一起。”
早期的实验表明，这种三体序是存在和排列的。这些新发现正在挑战基于理论知识的实验室所能做的极限。
由于磁铁的特性对发电至关重要，完成磁石隐藏力量的谜题可能最终会带来操纵材料的新方法，并通过利用电子的行为来改进电子技术。
更快的电子设备、更好的通讯设备、更有效的数据存储方式——这些只是研究人员能够想到的一些结果。
Rodriguez-Vega说，尽管提前思考意味着进入一个完全不同的物理领域，但他希望用更多的激光照射磁铁矿和其他稀有材料，可以改善我们对电子产品的所有了解。
他表示:“最终目标将是按需提供(材料的)性能。”“我们希望能够利用不同频率和振幅的激光来调整材料的性能，用于技术应用。”
如需媒体咨询，请联系Mike Woeste: [email protected]或617-373-5718。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.northeastern.edu/2020/03/17/scientists-are-baffled-by-this-magnet-shooting-it-with-lasers-might-help/