In lavori che possono avere ampie implicazioni per lo sviluppo di nuovi materiali per l'elettronica, Gli scienziati del Caltech per la prima volta hanno sviluppato un modo per prevedere come gli elettroni che interagiscono fortemente con i movimenti atomici fluiranno attraverso un materiale complesso. Fare così, si sono basati solo sui principi della meccanica quantistica e hanno sviluppato un nuovo metodo computazionale accurato.

Studiando un materiale chiamato titanato di stronzio, ricercatore post-dottorato Jin-Jian Zhou e Marco Bernardi, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali, ha mostrato che il trasporto di carica vicino alla temperatura ambiente non può essere spiegato dai modelli standard. Infatti, viola il limite di Planck, un limite di velocità quantistica per quanto velocemente gli elettroni possono dissipare energia mentre fluiscono attraverso un materiale a una data temperatura.

Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Ricerca sulla revisione fisica il 2 dicembre.

L'immagine standard del trasporto di carica è semplice:gli elettroni che fluiscono attraverso un materiale solido non si muovono senza impedimenti, ma possono invece essere deviati dal percorso dalle vibrazioni termiche degli atomi che compongono il reticolo cristallino del materiale. Al variare della temperatura di un materiale, lo stesso vale per la quantità di vibrazione e l'effetto risultante di questa vibrazione sul trasporto di carica.

Le vibrazioni individuali possono essere pensate come quasiparticelle chiamate fononi, che sono eccitazioni in materiali che si comportano come singole particelle, muoversi e rimbalzare come un oggetto. I fononi si comportano come le onde dell'oceano, mentre gli elettroni sono come una barca che attraversa quell'oceano, sospinto dalle onde. In alcuni materiali, la forte interazione tra elettroni e fononi crea a sua volta una nuova quasiparticella nota come polarone.

"Il cosiddetto regime polaron, in cui gli elettroni interagiscono fortemente con i moti atomici, è stato fuori portata per i calcoli dei primi principi del trasporto di carica perché richiede di andare oltre i semplici approcci perturbativi per trattare l'interazione forte elettrone-fonone, " dice Bernardi. "Utilizzando un nuovo metodo, siamo stati in grado di prevedere sia la formazione che la dinamica dei polaroni nel titanato di stronzio. Questo progresso è cruciale poiché molti semiconduttori e ossidi di interesse per le future applicazioni elettroniche ed energetiche mostrano effetti polari".

Il titanato di stronzio è noto come un materiale complesso perché a diverse temperature la sua struttura atomica cambia drasticamente, con il reticolo cristallino che passa da una forma all'altra, che a sua volta sposta i fononi che gli elettroni devono navigare. L'anno scorso, Zhou e Bernardi hanno mostrato in a Lettere di revisione fisica carta che possono descrivere i fononi associati a queste transizioni di fase strutturali e includerli nel loro flusso di lavoro computazionale per prevedere con precisione la dipendenza dalla temperatura della mobilità degli elettroni nel titanato di stronzio.

Ora, hanno sviluppato un nuovo metodo in grado di descrivere le forti interazioni tra gli elettroni ei fononi nel titanato di stronzio. Ciò consente loro di spiegare la formazione dei polaroni e prevedere con precisione sia il valore assoluto che la dipendenza dalla temperatura della mobilità degli elettroni, una proprietà chiave di trasporto di carica nei materiali.

Così facendo, hanno scoperto una caratteristica esotica del titanato di stronzio:il trasporto di carica vicino alla temperatura ambiente non può essere spiegato con la semplice immagine standard degli elettroni che si diffondono con le vibrazioni atomiche nel materiale. Piuttosto, il trasporto avviene in un sottile regime quantomeccanico in cui gli elettroni trasportano l'elettricità collettivamente piuttosto che individualmente, consentendo loro di violare il limite teorico per il trasporto a pagamento.

"Nel titanato di stronzio, il consueto meccanismo di trasporto di carica dovuto alla diffusione degli elettroni con i fononi è stato ampiamente accettato nell'ultimo mezzo secolo. Però, il quadro che emerge dal nostro studio è molto più complicato, " dice Zhou. "A temperatura ambiente, è come se circa la metà di ogni elettrone contribuisse al trasporto di carica attraverso il consueto meccanismo di diffusione dei fononi, mentre l'altra metà dell'elettrone contribuisce a una forma di trasporto collettivo che non è ancora completamente compresa".

Oltre a rappresentare un progresso fondamentale nella comprensione del trasporto di carica, il nuovo metodo di Zhou e Bernardi può essere applicato a molti semiconduttori oltre che a materiali come ossidi e perovskiti, ea nuovi materiali quantistici che esibiscono effetti polaronici. Oltre al trasporto a pagamento, Zhou e Bernardi intendono studiare materiali con termoelettricità non convenzionale (la generazione di elettricità dal calore) e superconduttività (corrente elettrica senza resistenza). In questi materiali, i calcoli esistenti non sono ancora stati in grado di prendere in considerazione gli effetti del polarone.

Il documento si intitola "Predire il trasporto di carica in presenza di polaroni:il regime oltre-quasiparticella in SrTiO ₃ ."