La transición de metal a aislante, un proceso que convierte los materiales de conductores a aislantes, ha sido un proceso crucial detrás de los interruptores microelectrónicos, la memoria no volátil y los materiales informáticos neuromórficos. En muchos casos, esta transición va acompañada de cambios drásticos en la simetría electrónica o estructural del material, que pueden provocar otros cambios no deseados en las propiedades del material. Por lo tanto, se desea realizar dicha transición sin romper la simetría de los materiales.
El profesor Yu He dirigió un estudio publicado en Physical Review Research. , que aporta un enfoque más claro sobre cómo estas transiciones pueden tener lugar sin romper ninguna simetría en estos materiales.
Él y sus colaboradores descubrieron que un fuerte acoplamiento entre electrones y una red atómica vibrante puede hacer que un metal se convierta en un aislante sin necesidad de alterar el patrón de red estática. El hallazgo revela una nueva vía hacia una transición que anteriormente se consideraba inducible únicamente mediante fuertes interacciones electrón-electrón de Coulomb.
"La transición de metal a aislante ha sido un tema duradero en la investigación de la física de la materia condensada porque a menudo implica que los electrones cambien sus propias reglas de organización entre dos estados fundamentalmente diferentes", dijo He, profesor asistente de física aplicada. Para "engañar" al material para que realice dicha transición sin incurrir en ninguna interrupción en su simetría subyacente, la clave aquí es explotar las fluctuaciones masivas de las posiciones atómicas cuando el material es casi unidimensional.
"Para decirlo claramente, el material debe tener un motivo de estructura de cristal en forma de cadena. Así es como encontramos el material en forma de aguja Ta2 NiSe5 ."
Tanto la interacción de Coulomb electrón-electrón como el acoplamiento de red de electrones pueden dar lugar a transiciones de metal a aislante en ausencia de una simetría rota. Pero para precisar la contribución dominante, afirma, también es crucial determinar las interacciones efectivas en cada sector. "La determinación cuantitativa de los parámetros de interacción en la ecuación de Schrodinger de materiales reales ha sido una tarea muy difícil."
Para su tema, He y su equipo de investigación montaron un ataque coordinado desde el lado experimental y teórico. La combinación de espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo in situ y difracción de rayos X proporcionó a los investigadores una visión microscópica directa del comportamiento electrónico y atómico del material.
Integrado con cálculos de modelos avanzados en colaboración con el profesor Yao Wang y su equipo en la Universidad de Emory, los investigadores pudieron generar directamente una "representación digital" efectiva del material que captura casi todas sus propiedades físicas no convencionales, incluida la preservación de la simetría. transición de metal a aislante, inducida por el acoplamiento de electrones a fluctuaciones masivas de la red.
En la mayoría de los materiales a granel, los átomos son tan pesados y lentos que cuando vibran, los electrones (con menos de 1/1000 de la masa atómica) casi siempre pueden seguirlos instantáneamente. Esta es la llamada aproximación de Born-Oppenheimer ("Sí, la de Oppenheimer", dice).
"Sin embargo, cuando los materiales son casi unidimensionales, la red atómica a menudo fluctúa violentamente y, a veces, los electrones ya no pueden seguir el ritmo de cada giro que hacen los átomos", dijo. "Luego levantan las manos y dicen:'Está bien, renuncio'. Ahí es cuando se obtiene un aislante. Pero los átomos aún no han roto ninguna simetría:simplemente oscilan alrededor de su posición estática original".
Señala que con el rápido desarrollo de la espectroscopia avanzada y los métodos computacionales modernos, este trabajo no solo revela fluctuaciones de baja dimensión como una fuente en gran medida sin explotar para diseñar nuevas propiedades en materiales cuánticos. También ofrece un marco más general para "secuenciar el genoma de los materiales" midiendo directamente las fuerzas de las interacciones microscópicas en modelos cuánticos mínimos de muchos cuerpos de estos materiales.
"Una vez que tengamos a mano su ADN cuántico, estos materiales complejos serán mucho más dóciles para la ingeniería de materiales predictiva", afirmó.
Más información: Cheng Chen et al, Papel del acoplamiento electrón-fonón en el candidato a aislante excitónico Ta2 NiSe5 , Investigación de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043089
Información de la revista: Investigación de revisión física
Proporcionado por la Universidad de Yale
