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解释神秘的“四维”氧化铁
发布:lee_9124   时间:2016/4/20 21:58:01   阅读:653 
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一个国际研究小组对刚发现的Fe4O5进行深入研究,已经成功地描述其复杂的结构,并解释了其非比寻常的特性。

科学家们发现,当Fe4O5冷却至150K以下的温度后,它将发生不同寻常的相变,形成“四维”晶体结构,这一过程伴随着电子密度波的形成。这一发现已经发表在最新一期的《自然化学》期刊上。文章作者Artem Abakumov表示,这种材料的研究将有助于了解磁性和晶体结构之间的相互联系。

这项研究的起源可以追溯到1939年,当德国物理学家E. J. W. Verwey首先发现被人熟知的磁性铁矿石(Fe3O4)奇怪的相转变。正常状态下磁铁矿是一个相对良好的电导体,但当冷却低于120K时,其导电率明显下降,几乎成为绝缘体。科学家们发现低于120K时,铁原子排列成一种有序结构。在此结构中电子不能自由移动,也不能充当载流子,甚至这种氧化物变成了铁电体。但科学家无法解释结构中到底是什么发生变化了,物理学家们花了大量时间去研究。研究人员猜测,这一现象与铁原子存在在两个不同的氧化态(价)(2价,3价)有关,他们能形成有序结构。

这个问题的答案直到2012年才被发现,由剑桥大学Paul Attfield教授领导的研究小组合成高质量的磁铁矿单晶,并解释了他们的结构。研究人员说,正如早期已经提出的,所谓的结构顺序发生了二价和三价铁原子排列成三簇的变化,这种被称为三聚体。

这篇文章的作者决定看看不同的氧化铁--Fe4O5(最近才被一个美国研究小组发现)。这是一种不寻常的氧化物,它只能在极高的温度和压力下形成,这就意味着在地球的表面不能被发现,甚至存在于含有更高的氧气的其他氧化物中,现在认为,它存在于深度达数百公里的地球表面以下。

当测试这种氧化研究的性能时,科学家们发现,有一个相转变非常类似于Verwey指出的磁铁矿。然而,他们不同的是发生在不同的温度下,获得的配置结构更加复杂。

“我们发现,就像磁铁矿,当冷却到低于150K时,一个不寻常的结构演化进行了。这是标准电荷密度波之间的混合形成二聚体。这种情况在三聚体磁铁矿中也被观察到。在Fe4O5中是非常复杂的。这就是所谓的‘不相称的调制结构’。我们不能确定三维周期性。但这种周期性可以在一个更高维的空间,如四维空间中观察到。当我们提到的像结构四维时,当然我们不是在谈论这些氧化物存在于四维空间。这只是一种技术构造来对这种高度复杂有序结构的数学描述。”Artem Abakumov说。

尽管磁铁矿和Fe4O5之间性能相似,Fe4O5电荷有序结构仍中心对称,却没有表现出任何铁电性质。很有趣的是科学家们由Fe3O4的事实表明磁铁矿属于多铁性材料。磁和电两种排序同时被看到。如果这两个不同的排序相互耦合,然后材料的磁场可以改变其电极化,相反,电场影响磁化强度的变化。

Artem Abakumov说:“如果这种情况发生,我们便得到一种双功能材料。,从基础物理的观点或固态化学到如何投入实际使用都是很有趣的。它可用于磁场传感器。唯一的缺点是,通常情况下,磁和电排序耦合很弱,仅出现在低温下。对比磁铁矿与Fe4O5电、磁结构晶体分析,我们可以更好研究这些磁和电的材料。”


来源:材料人网
 
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