解释神秘的“四维”氧化铁

材料牛注：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。”

文献参考地址：Charge-ordering transition in iron oxide Fe4O5 involving competing dimer and trimer formation

本文参考地址：Scientists Demonstrate Complex Structure of Fe4O5

感谢材料人编辑部尉谷雨提供素材