Distribuição (Ρ) da densidade de probabilidade eletrônica (ρ) para estados localizados e deslocalizados. Essa distribuição é aproximadamente normal para estados deslocalizados com densidade de probabilidade esperada significativa que permite que os elétrons atravessem o material. A distribuição para estados localizados é aproximadamente log-normal, devido à baixa densidade de probabilidade entre os locais de localização. Esta última baixa densidade é característica de um isolador. Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA
Cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), em colaboração com a Florida State University, desenvolveram um método para simular a localização do elétron em materiais reais, incluindo imperfeições e interações elétron-elétron.
A localização dos elétrons é a tendência dos elétrons de se tornarem confinados ou agrupados em pequenas regiões de um material, assim como os humanos tendem a se agrupar em cidades por todo o país. O agrupamento pode ser causado por fatores locais, como imperfeições do material, ou como no caso da Terra, a presença de recursos naturais, deltas do rio, ou outras características geográficas atraentes.
Outra causa para agrupamento são as interações elétron-elétron das forças de Coulomb repulsivas, a forte força eletrostática experimentada por partículas carregadas. Existe um fenômeno semelhante entre diversas populações humanas, quando a aversão ou dúvida que existe entre as comunidades excede o benefício mútuo de trabalhar juntos e trocar recursos. Assim como a migração humana afeta a sociedade, a localização do elétron afeta as propriedades do material, como absorção óptica e condutividade eletrônica.
Na mecânica clássica, as localizações dos humanos, carros, etc, pode ser rastreado, pelo menos em princípio. Esse rastreamento não é possível na mecânica quântica, onde as localizações das partículas são dadas em termos de densidades de probabilidade. O decaimento da densidade de probabilidade do elétron dentro de um sólido é uma medida da localização do elétron.
"Em metais, os estados eletrônicos são deslocalizados, permitindo que os elétrons se movam de um local para outro através do material, "disse o Dr. Daniel Gunlycke, chefe da Seção de Química Teórica do NRL. "Imperfeições e interações elétron-elétron, Contudo, pode localizar os estados eletrônicos, transformando um metal em um isolante. Ele nos fornece um mecanismo para controlar as propriedades eletrônicas e projetar funcionalidades aprimoradas em materiais existentes e novos para uso em aplicações que variam de optoeletrônica em nanoescala à prevenção de corrosão em macroescala. "
De acordo com Gunlycke, há uma longa história de pesquisa teórica em localização forte de elétrons.
Transição isolante-metal em monocamada hexagonal de nitreto de boro. A transição requer imperfeições (δ) e interações elétron-elétron (υ). Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA
"A maior parte deste trabalho enfoca a localização induzida por imperfeições ou interações elétron-elétron. Esses casos limites foram previstos por Philip Anderson e Nevill Francis Mott, agora conhecido como localização Anderson e Mott, respectivamente, "Gunlycke disse." No entanto, também sabemos que imperfeições e interações elétron-elétron podem ser consideráveis em materiais reais, especialmente em materiais de baixa dimensão, onde a polarização eletrônica é geralmente menos eficaz na redução das interações de Coulomb elétron-elétron de longo alcance. "
Ao lado de experimento e teoria, simulações de computador são essenciais para desenvolver uma compreensão de muitas propriedades físicas em sólidos prístinos reais.
“Apesar da necessidade, o desenvolvimento de um método computacional baseado em primeiros princípios para caracterizar a localização de elétrons em materiais reais tem sido um desafio, como imperfeições e interações elétron-elétron quebram dois dos pressupostos fundamentais na teoria de bandas:homogeneidade material e independência de partícula, "disse Gunlycke.
Em uma carta publicada em Cartas de revisão física , Edição de 10 de março, os autores apresentam um novo método para superar esses obstáculos, combinando a teoria funcional da densidade de primeiros princípios, o modelo Anderson-Hubbard, e a aproximação típica de agrupamento dinâmico médio dentro da teoria de campo médio dinâmico.
"Há uma interação complexa entre imperfeições e interações elétron-elétron em materiais reais, "disse o Dr. Chinedu Ekuma, um pesquisador de pós-doutorado do National Research Council (NRC) no grupo do Dr. Gunlycke. "Espera-se que as simulações de computador habilitadas por nosso método revelem um novo insight crítico."
O novo método para simular a localização de elétrons em materiais reais foi aplicado a nitreto de boro hexagonal em monocamada, um isolador de grande lacuna, e prevê que este é um material que requer imperfeições e interações elétron-elétron para sofrer uma transição de isolador para metal.
