随着温度的升高，磁铁矿及其三位旋通过三种状态的转变。作者：Hebatalla Elnaggar
磁铁矿是地球上最丰富的含铁矿物之一，也是已知最古老的磁性材料之一三O4磁铁矿在许多领域有着广泛的应用，如岩石形成时诱发的古地磁研究、数据记录等。这是继荷兰化学家Evert Verwey首次认识到磁铁矿在转变过程中物理性质的变化之后，第一个已知的金属转变为绝缘体的例子，即所谓的“Verwey转变”。
这种金属到绝缘体的转变是在大约123开尔文（-150摄氏度；-238华氏度）的低温下发现的，这是“莫特绝缘体”的典型例子——根据传统的电子能带理论，这种材料可以导电，但实际上是绝缘体。
几十年的研究已经推断出在绝缘体阶段磁铁矿，一个复杂的，长程网络的线性磁性分子称为“三叉戟”形式，具有线性结构铁三 -铁二 -铁三 但是最近，三叉戟也被证明存在于高温类金属相中，就在维维转变的正上方。“然而，这些短程三叉翼的作用以及其崩溃的机制仍然是一个尚未解决的谜团，”最近发表的一项研究的首席研究员Hebatalla Elnaggar告诉Phys。组织。“这促使我们设计一个新的实验来解决这些问题。”
为了研究三翼的崩塌机制及其在维威跃迁上方的温度演变，埃尔纳加（Elnaggar）现为巴黎索邦大学（Sorbonne Université）的鲁比肯博士后研究员和其他七所大学和机构的同事们，在法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施，对磁铁矿晶体进行高能X射线照射。利用X射线光谱学，他们能够研究磁铁矿中的短期结构波动和电荷重排序。
“我们发现在金属相中发生了一种新的电荷重新排列，导致铁的空穴自掺杂效应三 -铁二 -铁三 “三翼装置，”埃尔纳加说掺杂“一种材料通常意味着添加一种额外的化学物质来改变材料的电学或光学性质——最著名的例子是向半导体（如硅）中添加杂质，以改变其导电能力。通过“自掺杂”，磁铁矿本身就增加了铁的数量三 关于铁的离子二 离子温度升高时，这对三翼有显著影响。
“在这篇论文中，我们展示了这个比率如何将重要物理性质的温度依赖性映射为导电性“还有磁力，”埃尔纳加说。
此外，研究小组发现，通过控制温度，自掺杂的水平可以连续可逆地调节。他们还确定了三个自掺杂的温度域或区域，它们描述了磁铁矿关键物理性质（如电导率和磁性）的温度依赖性。短程三位子扮演着“关联的描述者”——它们描述了磁铁矿的电学和磁学性质的演变以及由于温度驱动的空穴自掺杂导致的崩塌。
研究小组在论文中写道，这三种电荷有序状态与已知的磁铁矿关键物理性质的温度演化“非常匹配”，从123 K的维维跃迁到330 K的类半导体行为，随后导电率下降，典型的类金属行为温度降至840 K，随后，随着温度超过840 K，电导率略有上升，标志着第三阶段的开始。
因此，温度驱动的自掺杂提供了一个独特的，可调节的把手，与化学掺杂紧密相连。
“我们的结果提供了一个优雅的类比，化学掺杂的影响和温度-类似于磁铁矿和其他磁铁矿能激发我们的灵感吗？埃尔纳加说（其他著名的Mott绝缘体的例子是氧化镍、氧化镍和氧化镧铜2氧化铜4后者是40 K下的超导体。）
因为这项技术使用硬X射线非弹性散射（“非弹性”是指入射X射线光子的能量发生变化），这个实验可以在高压和高温下进行。Elnaggar说：“这为地球科学和极端条件下的相变领域提供了令人兴奋的研究可能性，了解高压和高温下铁矿物之间的相互关系至关重要。
Elnaggar说：“我们设想这项技术可以解决古地磁学中尚未解决的问题，例如了解高压下钛磁铁矿的磁性结构。”。古地磁是研究地球过去在岩石和其他物质中磁场强度和方向的锁定记录；它可以提供有关板块位置和地磁场反转等信息。钛磁铁矿是一种含有钛和铁氧化物的矿物，是一种富含钛的磁铁矿，其中钛二 取代了一些铁二 钛磁铁矿是火成岩（热熔岩结晶凝固形成的岩石）和变质岩（地壳深处的热和压力改变）中常见的磁性矿物，对地磁研究也很重要。
