Сильно коррелированный материал
Сильно коррелированные материалы представляют собой широкий класс соединений, которые включают изоляторы и электронные материалы и демонстрируют необычные (часто технологически полезные) электронные и магнитные свойства , такие как переходы металл-изолятор , тяжелых фермионов поведение , полуметалличность и разделение спиновых зарядов . Существенной особенностью этих материалов является то, что поведение их электронов или спинонов не может быть эффективно описано с точки зрения невзаимодействующих сущностей. [ 1 ] Теоретические модели электронной ( фермионной ) структуры сильно коррелированных материалов должны включать электронную ( фермионную ) корреляцию , чтобы быть точными. С недавних пор термин « квантовые материалы » также используется, среди прочего, для обозначения сильно коррелированных материалов.
Оксиды переходных металлов
[ редактировать ]Многие оксиды переходных металлов относятся к этому классу. [ 2 ] которые можно подразделить в зависимости от их поведения, например , высокотемпературные материалы , материалы спинтроники , мультиферроики , изоляторы Мотта , материалы спинового Пайерлса , материалы тяжелых фермионов , квазинизкоразмерные материалы и т. д. Единственным наиболее интенсивно изучаемым эффектом, вероятно, является высокоразмерный эффект . температурная сверхпроводимость в легированных купратах , например La 2−x Sr x CuO 4 . Другие явления упорядочения или магнитного поля, а также температурно-индуцированные фазовые переходы во многих оксидах переходных металлов также объединяются под термином «сильно коррелированные материалы».
Электронные структуры
[ редактировать ]Обычно сильно коррелированные материалы имеют неполностью заполненные d- или f- с электронные оболочки узкими энергетическими зонами. Больше нельзя рассматривать какой-либо электрон в материале как находящийся в « море » усредненного движения других (также известном как теория среднего поля ). Каждый отдельный электрон оказывает сложное влияние на своих соседей.
Термин « сильная корреляция» относится к поведению электронов в твердых телах, которое недостаточно хорошо описывается (часто даже качественно корректно) простыми одноэлектронными теориями, такими как приближение локальной плотности (LDA) теории функционала плотности или Хартри. – Теория Фока . Например, казалось бы простой материал NiO имеет частично заполненную 3d - зону (атом Ni имеет 8 из 10 возможных 3d - электронов), и поэтому можно ожидать, что он будет хорошим проводником. Однако сильное кулоновское отталкивание (корреляционный эффект) между d -электронами делает NiO вместо этого широкозонным изолятором . Таким образом, сильно коррелированные материалы имеют электронные структуры, которые не являются ни просто свободными электронами, ни полностью ионными, а представляют собой смесь того и другого.
Теории
[ редактировать ]Расширения LDA (LDA+U, GGA, SIC, GW и т. д.), а также упрощенные модели гамильтонианов (например, модели Хаббарда ) были предложены и разработаны для описания явлений, обусловленных сильной электронной корреляцией. Среди них динамическая теория среднего поля (DMFT) успешно отражает основные характеристики коррелированных материалов. Схемы, в которых используются как LDA, так и DMFT, объясняют многие экспериментальные результаты в области коррелированных электронов.
Структурные исследования
[ редактировать ]высоких энергий оптическая спектроскопия, электронная спектроскопия , резонансная фотоэмиссия , а в последнее время резонансное неупругое (жесткое и мягкое) рассеяние рентгеновских лучей ( RIXS ) и нейтронная спектроскопия Экспериментально для изучения электронной и магнитной структуры сильно коррелированных материалов использовались . Спектральные сигнатуры, наблюдаемые с помощью этих методов, которые не объясняются одноэлектронной плотностью состояний, часто связаны с эффектами сильной корреляции. Экспериментально полученные спектры можно сравнить с предсказаниями определенных моделей или использовать для установления ограничений на наборы параметров. Например, была установлена схема классификации оксидов переходных металлов в рамках так называемой диаграммы Заанена-Савацки-Аллена . [ 3 ]
Приложения
[ редактировать ]Манипулирование и использование коррелированных явлений находит применение, например, в сверхпроводящих магнитах и магнитных накопителях (CMR). [ нужна ссылка ] технологии. Другие явления, такие как переход металл-изолятор в VO 2, были исследованы как средство создания умных окон, позволяющих снизить требования к отоплению/охлаждению помещения. [ 4 ] Кроме того, переходы металл-изолятор в изолирующих материалах Мотта, таких как LaTiO 3, можно настроить путем регулировки заполнения зон, чтобы потенциально использовать их для создания транзисторов, в которых будут использоваться традиционные конфигурации полевых транзисторов, чтобы воспользоваться преимуществами резкого изменения проводимости материала. [ 5 ] Транзисторы, использующие переходы металл-изолятор в изоляторах Мотта, часто называют транзисторами Мотта и раньше успешно изготавливались с использованием VO 2 , но для их работы требовались более сильные электрические поля, индуцированные ионными жидкостями в качестве материала затвора. [ 6 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кинтанилья, Хорхе; Хули, Крис (2009). «Загадка сильной корреляции» (PDF) . Мир физики . 22 (6). Издательство ИОП: 32–37. Бибкод : 2009PhyW...22f..32Q . дои : 10.1088/2058-7058/22.06.38 . ISSN 0953-8585 .
- ^ Миллис, А.Дж. «Конспекты лекций по «сильно коррелированным» оксидам переходных металлов» (PDF) . Колумбийский университет . Проверено 20 июня 2012 г.
- ^ Дж. Заанен; Г.А. Савацкий; Дж. В. Аллен (1985). «Запрещенная зона и электронная структура соединений переходных металлов» (PDF) . Письма о физических отзывах . 55 (4): 418–421. Бибкод : 1985PhRvL..55..418Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.418 . hdl : 1887/5216 . ПМИД 10032345 .
- ^ Дж. М. Томчак; С. Бирманн (2009). «Оптические свойства коррелирующих материалов – Или почему интеллектуальные окна могут выглядеть грязными». Физический статус Solidi B. 246 (9): 1996–2005. arXiv : 0907.1575 . Бибкод : 2009ПССБР.246.1996Т . дои : 10.1002/pssb.200945231 . S2CID 6942417 .
- ^ Шайдерер, Филипп; Шмитт, Матиас; Габель, Джудит; Цапф, Майкл; Штюбингер, Мартин; Шютц, Филипп; Дуди, Ленарт; Шлютер, Кристоф; Ли, Тянь Линь; Спой, Майкл; Классен, Ральф (2018). «Подбор материалов для Моттроники: легирование избыточным кислородом прототипа изолятора Мотта». Продвинутые материалы . 30 (25): 1706708. arXiv : 1807.05724 . Бибкод : 2018AdM....3006708S . дои : 10.1002/adma.201706708 . ПМИД 29732633 . S2CID 19134593 .
- ^ Накано, М.; Сибуя, К.; Окуяма, Д.; Хатано, Т.; Оно, С.; Кавасаки, М.; Иваса, Ю.; Токура, Ю. (июль 2012 г.). «Коллективная делокализация насыпных авианосцев, вызванная накоплением электростатического поверхностного заряда». Природа . 487 (7408): 459–462. Бибкод : 2012Natur.487..459N . дои : 10.1038/nature11296 . ПМИД 22837001 . S2CID 4401622 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Anisimov, Vladimir; Yuri Izyumov (2010). Electronic Structure of Strongly Correlated Materials . Springer. ISBN 978-3-642-04825-8 .
- Патрик Фазекас (1999). Конспект лекций по электронной корреляции и магнетизму . Всемирная научная. ISBN 978-9810224745 .
- де Гроот, Фрэнк; Акио Котани (2008). Спектроскопия основного уровня твердых тел . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-9071-5 .
- Ямада, Косаку (2004). Электронные корреляции в металлах . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-57232-3 .
- Роберт З. Бахрах, изд. (1992). Исследование синхротронного излучения: достижения в области науки о поверхности и интерфейсе . Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-43872-1 .
- Паварини, Ева; шеф-повар Эрик; Воллхардт, Дитер; Лихтенштейн, Александр; (ред.) (2011). Подход LDA+DMFT к сильно коррелирующим материалам . Юлихский исследовательский центр. ISBN 978-3-89336-734-4 .
{{cite book}}:|author=имеет общее имя ( справка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - Амуся М., Попов К., Шагинян В., Стефанович В. (2014). Теория соединений тяжелых фермионов - Теория сильно коррелированных ферми-систем . Серия Спрингера по наукам о твердом теле. Том. 182. Спрингер. дои : 10.1007/978-3-319-10825-4 . ISBN 978-3-319-10825-4 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Кинтанилья, Хорхе; Хули, Крис (июнь 2009 г.). «Загадка сильной корреляции» (PDF) . Мир физики . 22 (6): 32–37. Бибкод : 2009PhyW...22f..32Q . дои : 10.1088/2058-7058/22.06.38 .