La transizione metallo-isolante, un processo che trasforma i materiali da conduttore a isolante, è stato un processo cruciale alla base degli interruttori microelettronici, della memoria non volatile e dei materiali informatici neuromorfici. In molti casi, questa transizione è accompagnata da drastici cambiamenti nella simmetria elettronica o strutturale del materiale, che possono comportare altre modifiche involontarie delle proprietà del materiale. Si desidera quindi realizzare tale transizione senza rompere la simmetria dei materiali.
Il Prof. Yu He ha condotto uno studio, pubblicato su Physical Review Research , che consente di focalizzare l'attenzione su come queste transizioni possano avvenire senza rompere alcuna simmetria in questi materiali.
Lui e i suoi collaboratori hanno scoperto che un forte accoppiamento tra gli elettroni e un reticolo atomico vibrante può far sì che un metallo diventi un isolante senza la necessità di interrompere lo schema reticolare statico. La scoperta rivela un nuovo percorso verso una transizione che in precedenza era considerata inducibile solo da forti interazioni Coulomb elettrone-elettrone.
"La transizione metallo-isolante è stata un tema costante nella ricerca sulla fisica della materia condensata perché spesso coinvolge gli elettroni che cambiano le proprie regole di organizzazione tra due stati fondamentalmente diversi", ha affermato He, assistente professore di fisica applicata. Per "ingannare" il materiale in tale transizione senza incorrere in alcuna interruzione nella sua simmetria sottostante, la chiave qui è sfruttare le massicce fluttuazioni delle posizioni atomiche quando il materiale è quasi unidimensionale.
"Per dirla in parole povere, il materiale deve avere un motivo di struttura cristallina simile a una catena. È così che abbiamo trovato il materiale aghiforme Ta2 NiSe5 ."
Sia l'interazione elettrone-elettrone di Coulomb che l'accoppiamento elettrone-reticolo possono dare origine a transizioni metallo-isolante in assenza di qualsiasi rottura di simmetria. Ma per individuare il contributo dominante, afferma He, è fondamentale anche determinare le interazioni effettive in ciascun settore. "La determinazione quantitativa dei parametri di interazione nell'equazione di Schrodinger dei materiali reali è stato un compito molto difficile."
Per quanto riguarda il loro argomento, lui e il suo gruppo di ricerca hanno organizzato un attacco coordinato sia dal lato sperimentale che da quello teorico. La combinazione della spettroscopia di fotoemissione con risoluzione angolare in situ e della diffrazione dei raggi X ha fornito ai ricercatori una visione microscopica diretta del comportamento elettronico e atomico del materiale.
Integrati con calcoli di modelli avanzati in collaborazione con il Prof. Yao Wang e il suo team della Emory University, i ricercatori sono stati in grado di generare direttamente un'efficace "rappresentazione digitale" del materiale che cattura quasi tutte le sue proprietà fisiche non convenzionali, inclusa la preservazione della simmetria Transizione metallo-isolante, indotta dall'accoppiamento degli elettroni a massicce fluttuazioni reticolari.
Nella maggior parte dei materiali sfusi, gli atomi sono così pesanti e lenti che quando vibrano, gli elettroni, con meno di 1/1000 della massa atomica, possono quasi sempre seguirli istantaneamente. Questa è la cosiddetta approssimazione di Born-Oppenheimer ("Sì, l'Oppenheimer", dice).
"Tuttavia, quando i materiali sono quasi unidimensionali, il reticolo atomico spesso fluttua violentemente, e talvolta gli elettroni non riescono più a tenere il passo con ogni torsione e giro che fanno gli atomi", ha detto. "Poi alzano le mani in aria e dicono 'OK, me ne vado.' È allora che ottieni un isolante. Ma gli atomi non hanno ancora rotto alcuna simmetria:oscillano semplicemente attorno alla loro posizione statica originale."
Egli osserva che con il rapido sviluppo della spettroscopia avanzata e dei moderni metodi computazionali, questo lavoro non solo rivela le fluttuazioni a bassa dimensione come una fonte in gran parte non sfruttata per progettare nuove proprietà nei materiali quantistici. Offre inoltre un quadro più generale per "sequenziare il genoma dei materiali" misurando direttamente la forza delle interazioni microscopiche nei modelli quantistici minimi a molti corpi di questi materiali.
"Una volta che avremo in mano i loro DNA quantistici, questi materiali complessi saranno molto più addomesticabili per l'ingegneria predittiva dei materiali", ha affermato.
Ulteriori informazioni: Cheng Chen et al, Ruolo dell'accoppiamento elettrone-fonone nel candidato isolante eccitonico Ta2 NiSe5 , Ricerca sulla revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043089
Informazioni sul giornale: Ricerca sulla revisione fisica
Fornito dall'Università di Yale
