解釋神秘的“四維”氧化鐵

材料牛注：一個國際研究小組對剛發現的Fe4O5進行深入研究，已經成功地描述其復雜的結構，并解釋了其非比尋常的特性。

科學家們發現，當Fe4O5冷卻至150K以下的溫度后，它將發生不同尋常的相變，形成“四維”晶體結構，這一過程伴隨著電子密度波的形成。這一發現已經發表在最新一期的《自然化學》期刊上。文章作者Artem Abakumov表示，這種材料的研究將有助于了解磁性和晶體結構之間的相互聯系。

這項研究的起源可以追溯到1939年，當德國物理學家E. J. W. Verwey首先發現被人熟知的磁性鐵礦石（Fe3O4）奇怪的相轉變。正常狀態下磁鐵礦是一個相對良好的電導體，但當冷卻低于120K時，其導電率明顯下降，幾乎成為絕緣體。科學家們發現低于120K時，鐵原子排列成一種有序結構。在此結構中電子不能自由移動，也不能充當載流子，甚至這種氧化物變成了鐵電體。但科學家無法解釋結構中到底是什么發生變化了，物理學家們花了大量時間去研究。研究人員猜測，這一現象與鐵原子存在在兩個不同的氧化態（價）（2價，3價）有關，他們能形成有序結構。

這個問題的答案直到2012年才被發現，由劍橋大學Paul Attfield教授領導的研究小組合成高質量的磁鐵礦單晶，并解釋了他們的結構。研究人員說，正如早期已經提出的，所謂的結構順序發生了二價和三價鐵原子排列成三簇的變化，這種被稱為三聚體。

這篇文章的作者決定看看不同的氧化鐵--Fe4O5（最近才被一個美國研究小組發現）。這是一種不尋常的氧化物，它只能在極高的溫度和壓力下形成，這就意味著在地球的表面不能被發現，甚至存在于含有更高的氧氣的其他氧化物中，現在認為，它存在于深度達數百公里的地球表面以下。

當測試這種氧化研究的性能時，科學家們發現，有一個相轉變非常類似于Verwey指出的磁鐵礦。然而，他們不同的是發生在不同的溫度下，獲得的配置結構更加復雜。

“我們發現，就像磁鐵礦，當冷卻到低于150K時，一個不尋常的結構演化進行了。這是標準電荷密度波之間的混合形成二聚體。這種情況在三聚體磁鐵礦中也被觀察到。在Fe4O5中是非常復雜的。這就是所謂的‘不相稱的調制結構’。我們不能確定三維周期性。但這種周期性可以在一個更高維的空間，如四維空間中觀察到。當我們提到的像結構四維時，當然我們不是在談論這些氧化物存在于四維空間。這只是一種技術構造來對這種高度復雜有序結構的數學描述。”Artem Abakumov說。

盡管磁鐵礦和Fe4O5之間性能相似，Fe4O5電荷有序結構仍中心對稱，卻沒有表現出任何鐵電性質。很有趣的是科學家們由Fe3O4的事實表明磁鐵礦屬于多鐵性材料。磁和電兩種排序同時被看到。如果這兩個不同的排序相互耦合，然后材料的磁場可以改變其電極化，相反,電場影響磁化強度的變化。

Artem Abakumov說:“如果這種情況發生，我們便得到一種雙功能材料。,從基礎物理的觀點或固態化學到如何投入實際使用都是很有趣的。它可用于磁場傳感器。唯一的缺點是，通常情況下，磁和電排序耦合很弱，僅出現在低溫下。對比磁鐵礦與Fe4O5電、磁結構晶體分析，我們可以更好研究這些磁和電的材料。”

文獻參考地址：Charge-ordering transition in iron oxide Fe4O5 involving competing dimer and trimer formation

本文參考地址：Scientists Demonstrate Complex Structure of Fe4O5

感謝材料人編輯部尉谷雨提供素材