En trabajos que pueden tener amplias implicaciones para el desarrollo de nuevos materiales para la electrónica, Los científicos de Caltech han desarrollado por primera vez una forma de predecir cómo los electrones que interactúan fuertemente con los movimientos atómicos fluirán a través de un material complejo. Para hacerlo se basaron únicamente en principios de la mecánica cuántica y desarrollaron un nuevo método computacional preciso.

Estudiando un material llamado titanato de estroncio, el investigador postdoctoral Jin-Jian Zhou y Marco Bernardi, profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales, mostró que el transporte de carga cerca de la temperatura ambiente no se puede explicar con los modelos estándar. De hecho, viola el límite de Planck, un límite de velocidad cuántica para la rapidez con que los electrones pueden disipar energía mientras fluyen a través de un material a una temperatura determinada.

Su trabajo fue publicado en la revista Investigación de revisión física el 2 de diciembre.

La imagen estándar del transporte de carga es simple:los electrones que fluyen a través de un material sólido no se mueven sin obstáculos, sino que pueden ser desviados de su curso por las vibraciones térmicas de los átomos que forman la red cristalina del material. A medida que cambia la temperatura de un material, también lo hace la cantidad de vibración y el efecto resultante de esta vibración en el transporte de carga.

Las vibraciones individuales se pueden considerar como cuasipartículas llamadas fonones, que son excitaciones en materiales que se comportan como partículas individuales, moviéndose y rebotando como un objeto. Los fonones se comportan como las olas del océano, mientras que los electrones son como un barco que navega por ese océano, empujado por las olas. En algunos materiales, la fuerte interacción entre electrones y fonones crea a su vez una nueva cuasipartícula conocida como polarón.

"El llamado régimen polarón, en el que los electrones interactúan fuertemente con los movimientos atómicos, ha estado fuera del alcance de los primeros principios de cálculo del transporte de carga porque requiere ir más allá de simples enfoques perturbadores para tratar la fuerte interacción electrón-fonón, "dice Bernardi." Usando un nuevo método, hemos podido predecir tanto la formación como la dinámica de polarones en titanato de estroncio. Este avance es crucial ya que muchos semiconductores y óxidos de interés para aplicaciones futuras de electrónica y energía exhiben efectos polarones ".

El titanato de estroncio se conoce como un material complejo porque a diferentes temperaturas su estructura atómica cambia drásticamente, con la celosía de cristal cambiando de una forma a otra, lo que a su vez desplaza los fonones por los que los electrones tienen que navegar. El año pasado, Zhou y Bernardi se mostraron en un Cartas de revisión física papel que pueden describir los fonones asociados con estas transiciones de fase estructural e incluirlos en su flujo de trabajo computacional para predecir con precisión la dependencia de la temperatura de la movilidad de electrones en titanato de estroncio.

Ahora, han desarrollado un nuevo método que puede describir las fuertes interacciones entre los electrones y fonones en titanato de estroncio. Esto les permite explicar la formación de polarones y predecir con precisión tanto el valor absoluto como la dependencia de la temperatura de la movilidad de los electrones. una propiedad clave de transporte de carga en materiales.

Al hacerlo, descubrieron una característica exótica del titanato de estroncio:el transporte de carga cerca de la temperatura ambiente no se puede explicar con la simple imagen estándar de electrones que se dispersan con vibraciones atómicas en el material. Bastante, El transporte ocurre en un régimen mecánico cuántico sutil en el que los electrones transportan la electricidad de forma colectiva en lugar de individualmente, permitiéndoles violar el límite teórico para el transporte de carga.

"En titanato de estroncio, El mecanismo habitual de transporte de carga debido a la dispersión de electrones con fonones ha sido ampliamente aceptado durante el último medio siglo. Sin embargo, la imagen que surge de nuestro estudio es mucho más complicada, "dice Zhou." A temperatura ambiente, es como si aproximadamente la mitad de cada electrón contribuyera al transporte de carga a través del mecanismo habitual de dispersión de fonones, mientras que la otra mitad del electrón contribuye a una forma colectiva de transporte que aún no se comprende completamente ".

Además de representar un avance fundamental en la comprensión del transporte de carga, El nuevo método de Zhou y Bernardi se puede aplicar a muchos semiconductores, así como a materiales como óxidos y perovskitas. ya nuevos materiales cuánticos que exhiben efectos polarones. Además del transporte de carga, Zhou y Bernardi planean investigar materiales con termoelectricidad no convencional (la generación de electricidad a partir del calor) y superconductividad (corriente eléctrica sin resistencia). En estos materiales, los cálculos existentes aún no han podido tener en cuenta los efectos del polarón.

El artículo se titula "Predicción del transporte de carga en presencia de polarones:el régimen de más allá de las cuasipartículas en SrTiO ₃ . "