Dzięki współpracy międzynarodowej fizyków z Uniwersytetu Jagiellońskiego (prof. Andrzej Michał Oleś), Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (dr hab. Przemysław Piekarz), Akademii Górniczo-Hutniczej (AGH), USA, Włoch oraz Czech, ustalono ostatnio nowe fakty dotyczące przejścia Verweya w magnetycie (Fe3O4).

Wyniki wspólnych badań opublikowane zostały w czasopiśmie Nature Physics. Zaobserwowano w nich nieznane wcześniej niskoenergetyczne wzbudzenia elektronowe w niskich temperaturach, dla których podano interpretację teoretyczną.  

Magnetyt, odkryty w starożytnej Grecji, jest najstarszym znanym materiałem magnetycznym, mającym zastosowanie m.in. w kompasach. Evert Verwey zaobserwował spadek wartości przewodnictwa elektrycznego o dwa rzędy wielkości w temperaturze ~125 K i zaproponował uporządkowanie ładunkowe na jonach żelaza jako mechanizm tego przejścia (nazwanego później przejściem Verweya). Najnowsze badania wykazują, że porządek ładunkowo-orbitalny w magnetycie powstaje przy udziale małych polaronów. Polaron ten składa się z trzech jonów żelaza i nosi nazwę trymeronu (trimeron). Jak pokazano na rysunku, gęstość elektronowa jest maksymalna na jonie centralnym żelaza (atomy czerwone/szare oznaczają położenia tlenów/innych jonów żelaza). Dotychczas nie udało się jednak zaobserwować wzbudzeń kolektywnych dla tak złożonego uporządkowania, wobec czego dynamika przejścia Verweya nie była w pełni zrozumiała.

Dr Edoardo Baldini wraz z dr Cariną A. Belvin z Massachusetts Institute of Technology (MIT, USA) wykonali pomiary optyczne, które pozwoliły zidentyfikować wzbudzenia niskoenergetyczne uporządkowanych trymeronów. Wysokiej jakości próbki magnetytu zostały otrzymane przez prof. Andrzeja Kozłowskiego (AGH). Prof. Jose Lorenzana z Uniwersytetu La Sapienza w Rzymie zaproponował natomiast, że wzbudzenia te można opisać jako oscylacje porządku ładunkowo-orbitalnego towarzyszące koherentnemu tunelowaniu polaronów. W przeprowadzonych w Krakowie obliczeniach metodą funkcjonału gęstości uwzględniono oscylacje ładunków zlokalizowanych na centralnym jonie żelaza trymeronu i otrzymano barierę energii potencjalnej dla ich koherentnej dynamiki. Ustalenie charakterystycznej energii drgań atomowych sprzężonych z tunelującymi elektronami było możliwe przy wykorzystaniu metody ab initio wprowadzonej wcześniej przez prof. Krzysztofa Parlińskiego (PAN). Rozszczepienie stanów wiążących i antywiążących okazało się bliskie obserwowanym energiom oscylacji. Dynamika polaronów ulega spowolnieniu wraz ze wzrostem temperatury, stąd obserwowane rozszczepienie maleje, a energie i amplitudy samych wzbudzeń gwałtownie zmniejszają się w pobliżu przejścia Verweya. Zachowanie krytyczne obserwowanych eksperymentalnie wzbudzeń kolektywnych daje się opisać w ramach teorii Gizburga-Landaua zależnej od czasu.

Badania te stały się możliwe dzięki rozwojowi nowoczesnych metod eksperymentalnych, a ich zrozumienie dzięki wykorzystaniu zaawansowanej teorii do opisu ładunkowo-orbitalno-sieciowych wzbudzeń kolektywnych w obszarze krytycznym. Można oczekiwać, że badania tego typu pozwolą w przyszłości zrozumieć złożoną naturę wzbudzeń ładunkowo-orbitalnych w innych układach silnie skorelowanych.