Distribución (Ρ) de la densidad de probabilidad electrónica (ρ) para estados localizados y deslocalizados. Esta distribución es aproximadamente normal para estados deslocalizados con una densidad de probabilidad esperada significativa que permite que los electrones atraviesen el material. La distribución de los estados localizados es aproximadamente logarítmica normal, debido a la baja densidad de probabilidad entre los sitios de localización. Esta última baja densidad es característica de un aislante. Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
Científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL), en colaboración con Florida State University, han desarrollado un método para simular la localización de electrones en materiales reales, incluidas las imperfecciones y las interacciones electrón-electrón.
La localización de electrones es la tendencia de los electrones a confinarse o agruparse en pequeñas regiones de un material, al igual que los humanos tienen una tendencia a agruparse en ciudades de todo el país. La agrupación puede deberse a factores locales como imperfecciones del material, o como en el caso de la Tierra, la presencia de recursos naturales, deltas de los ríos, u otras características geográficas atractivas.
Otra causa de agrupamiento son las interacciones electrón-electrón de las fuerzas repulsivas de Coulomb, la fuerte fuerza electrostática que experimentan las partículas cargadas. Existe un fenómeno similar entre diversas poblaciones humanas, cuando la aversión o duda que existe entre comunidades excede el beneficio mutuo de trabajar juntos e intercambiar recursos. Así como la migración humana afecta a la sociedad, La localización de electrones afecta las propiedades del material, como la absorción óptica y la conductividad electrónica.
En la mecánica clásica, las ubicaciones de los humanos, carros, etc., se puede rastrear, al menos en principio. Tal seguimiento no es posible en mecánica cuántica, donde las ubicaciones de las partículas se dan en cambio en términos de densidades de probabilidad. La desintegración de la densidad de probabilidad de los electrones dentro de un sólido es una medida de la localización de los electrones.
"En metales, los estados electrónicos están deslocalizados, permitir que los electrones se muevan de un sitio a otro a través del material, "dijo el Dr. Daniel Gunlycke, jefe de la Sección de Química Teórica de NRL. "Imperfecciones e interacciones electrón-electrón, sin embargo, puede localizar los estados electrónicos, convertir un metal en un aislante. Nos proporciona un mecanismo para controlar las propiedades electrónicas y diseñar funcionalidades mejoradas en materiales nuevos y existentes para su uso en aplicaciones que van desde la optoelectrónica a nanoescala hasta la prevención de la corrosión a macroescala ".
Según Gunlycke, Existe una larga historia de investigación teórica sobre la localización de electrones fuertes.
Transición aislante-metal en nitruro de boro monocapa hexagonal. La transición requiere imperfecciones (δ) e interacciones electrón-electrón (υ). Crédito:Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
"La mayor parte de este trabajo se centra en la localización inducida por imperfecciones o interacciones electrón-electrón. Estos casos limitantes fueron predichos por Philip Anderson y Nevill Francis Mott, ahora conocido como localización Anderson y Mott, respectivamente, "Gunlycke dijo." Sin embargo, También sabemos que las imperfecciones y las interacciones electrón-electrón pueden ser considerables en materiales reales, especialmente en materiales de baja dimensión donde la polarización electrónica es generalmente menos efectiva para reducir las interacciones de Coulomb electrón-electrón de largo alcance ".
Junto al experimento y la teoría, Las simulaciones por computadora son esenciales para desarrollar una comprensión de muchas propiedades físicas en sólidos prístinos reales.
"A pesar de la necesidad, El desarrollo de un método computacional basado en los primeros principios para caracterizar la localización de electrones en materiales reales ha sido un desafío. a medida que las imperfecciones y las interacciones electrón-electrón rompen dos de los supuestos fundamentales en la teoría de bandas:la homogeneidad del material y la independencia de las partículas, "dijo Gunlycke.
En una carta publicada en Cartas de revisión física , Número del 10 de marzo, los autores presentan un nuevo método para superar estos obstáculos mediante la combinación de la teoría funcional de la densidad de los primeros principios, el modelo de Anderson-Hubbard, y la aproximación típica de conglomerados dinámicos medios dentro de la teoría dinámica del campo medio.
"Existe una interacción compleja entre las imperfecciones y las interacciones electrón-electrón en materiales reales, "dijo el Dr. Chinedu Ekuma, investigador postdoctoral del National Research Council (NRC) en el grupo del Dr. Gunlycke. "Se espera que las simulaciones por computadora habilitadas por nuestro método revelen nuevos conocimientos críticos".
El nuevo método para simular la localización de electrones en materiales reales se ha aplicado a nitruro de boro monocapa hexagonal, un aislante de gran espacio, y predice que este es un material que requiere tanto imperfecciones como interacciones electrón-electrón para experimentar una transición de aislante a metal.
