Distribuzione (Ρ) della densità di probabilità elettronica (ρ) per stati localizzati e delocalizzati. Questa distribuzione è approssimativamente normale per gli stati delocalizzati con una densità di probabilità prevista significativa che consente agli elettroni di attraversare il materiale. La distribuzione per gli stati localizzati è approssimativamente log-normale, a causa della bassa densità di probabilità tra i siti di localizzazione. Quest'ultima bassa densità è caratteristica di un isolante. Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
Scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti, in collaborazione con la Florida State University, hanno sviluppato un metodo per simulare la localizzazione degli elettroni in materiali reali, comprese le imperfezioni e le interazioni elettrone-elettrone.
La localizzazione degli elettroni è la tendenza degli elettroni a essere confinati o raggruppati in piccole regioni di un materiale, proprio come gli esseri umani hanno la tendenza a raggrupparsi nelle città di tutto il paese. Il raggruppamento può essere causato da fattori locali come imperfezioni del materiale, o come nel caso della Terra, la presenza di risorse naturali, delta del fiume, o altre interessanti caratteristiche geografiche.
Un'altra causa del raggruppamento sono le interazioni elettrone-elettrone delle forze repulsive di Coulomb, la forte forza elettrostatica sperimentata dalle particelle cariche. Esiste un fenomeno simile tra le diverse popolazioni umane, quando l'avversione o il dubbio che esiste tra le comunità supera il reciproco vantaggio di lavorare insieme e scambiare risorse. Proprio come la migrazione umana colpisce la società, la localizzazione degli elettroni influisce sulle proprietà del materiale come l'assorbimento ottico e la conduttività degli elettroni.
Nella meccanica classica, le posizioni degli umani, macchine, eccetera., può essere tracciato, almeno in linea di principio. Tale tracciamento non è possibile nella meccanica quantistica, dove le posizioni delle particelle sono invece date in termini di densità di probabilità. Il decadimento della densità di probabilità elettronica all'interno di un solido è una misura della localizzazione degli elettroni.
"Nei metalli, gli stati elettronici sono delocalizzati, consentendo agli elettroni di spostarsi da un sito all'altro attraverso il materiale, " ha detto il dottor Daniel Gunlycke, capo della sezione di chimica teorica dell'NRL. "Imperfezioni e interazioni elettrone-elettrone, però, può localizzare gli stati elettronici, trasformare un metallo in un isolante. Ci fornisce un meccanismo per controllare le proprietà elettroniche e progettare funzionalità migliorate nei materiali esistenti e nuovi da utilizzare in applicazioni che vanno dall'optoelettronica su scala nanometrica alla prevenzione della corrosione su scala macro.
Secondo Gunlycke, c'è una lunga storia di ricerca teorica sulla localizzazione di elettroni forti.
Transizione isolante-metallo in nitruro di boro esagonale monostrato. La transizione richiede sia imperfezioni (δ) che interazioni elettrone-elettrone (υ). Credito:Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti
"La maggior parte di questo lavoro si concentra sulla localizzazione indotta da imperfezioni o interazioni elettrone-elettrone. Questi casi limite sono stati previsti da Philip Anderson e Nevill Francis Mott, ora noto come localizzazione Anderson e Mott, rispettivamente, " ha detto Gunlycke. "Tuttavia, sappiamo anche che le imperfezioni e le interazioni elettrone-elettrone possono essere notevoli nei materiali reali, specialmente nei materiali a bassa dimensionalità dove la polarizzazione elettronica è generalmente meno efficace nel ridurre le interazioni coulombiane elettrone-elettrone a lungo raggio."
Accanto all'esperimento e alla teoria, le simulazioni al computer sono essenziali per sviluppare una comprensione di molte proprietà fisiche in solidi veri e incontaminati.
"Nonostante la necessità, lo sviluppo di un metodo computazionale basato sui principi primi per caratterizzare la localizzazione degli elettroni nei materiali reali è stato impegnativo, poiché le imperfezioni e le interazioni elettrone-elettrone rompono due dei presupposti fondamentali della teoria delle bande:l'omogeneità del materiale e l'indipendenza delle particelle, " disse Gunlycke.
In una lettera pubblicata su Lettere di revisione fisica , numero del 10 marzo, gli autori presentano un nuovo metodo che supera questi ostacoli combinando la teoria del funzionale della densità dei primi principi, il modello Anderson-Hubbard, e la tipica approssimazione di cluster dinamico medio all'interno della teoria del campo medio dinamico.
"Esiste una complessa interazione tra imperfezioni e interazioni elettrone-elettrone nei materiali reali, " ha detto il dottor Chinedu Ekuma, un ricercatore post-dottorato del National Research Council (NRC) nel gruppo del Dr. Gunlycke. "Le simulazioni al computer abilitate dal nostro metodo dovrebbero rivelare nuove informazioni critiche".
Il nuovo metodo per simulare la localizzazione di elettroni in materiali reali è stato applicato al nitruro di boro esagonale monostrato, un isolante a grande distanza, e predice che questo è un materiale che richiede sia imperfezioni che interazioni elettrone-elettrone per subire una transizione isolante-metallo.
