Jahn-Teller distortion driven magnetic polarons in magnetite

산화철 Fe3O4는 고대 그리스 시대로부터 자석으로 널리 알려진 물질이다. 이 물질은 또한 120 K의 저온에서 급속한 금속-절연체 상전이를 보이기도 한다. 처음 이 상전이를 1939년에 발견한 사람의 이름을 따서 Verwey 상전이로 알려진 이 문제는 고체물리에서 널리 알려진 난제중에 하나이다. 이번 연구는 공명비탄성 x선 산란(RIXS)라는 실험 방법을 사용하여 Fe3O4의 낮은 에너지 스펙트럼을 관측하였다. 이 연구에서 주요한 결과는 200 meV 근처에서 새로운 들뜸을 찾은 것이고, 이를 이론 연구를 통하여 자성 폴라론으로 해석한 것이다.

The first known magnetic mineral, magnetite, has unusual properties, which have fascinated mankind for centuries; it undergoes the Verwey transition around 120 K with an abrupt change in structure and electrical conductivity. The mechanism of the Verwey transition, however, remains contentious. Here we use resonant inelastic X-ray scattering over a wide temperature range across the Verwey transition to identify and separate out the magnetic excitations derived from nominal Fe2þ and Fe3þ states. Comparison of the experimental results with crystal-field multiplet calculations shows that the spin–orbital dd excitons of the Fe2þ sites arise from a tetragonal Jahn-Teller active polaronic distortion of the Fe2þO6 octahedra. These low-energy excitations, which get weakened for temperatures above 350 K but persist at least up to 550 K, are distinct from optical excitations and are best explained as magnetic polarons.

Nature Communications온라인 게재
doi:10.1038/NCOMMS15929

https://www.nature.com/articles/ncomms15929