Em trabalhos que podem ter amplas implicações para o desenvolvimento de novos materiais para eletrônicos, Os cientistas da Caltech, pela primeira vez, desenvolveram uma maneira de prever como os elétrons que interagem fortemente com os movimentos atômicos irão fluir através de um material complexo. Para fazer isso, eles confiaram apenas nos princípios da mecânica quântica e desenvolveram um novo método computacional preciso.

Estudando um material chamado titanato de estrôncio, o pesquisador de pós-doutorado Jin-Jian Zhou e Marco Bernardi, professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais, mostraram que o transporte de carga próximo à temperatura ambiente não pode ser explicado por modelos padrão. Na verdade, viola o limite de Planckian, um limite de velocidade quântica para a rapidez com que os elétrons podem dissipar energia enquanto fluem através de um material a uma determinada temperatura.

Seu trabalho foi publicado na revista Pesquisa de revisão física em 2 de dezembro.

A imagem padrão do transporte de carga é simples:os elétrons que fluem através de um material sólido não se movem desimpedidos, mas podem ser desviados do curso pelas vibrações térmicas dos átomos que compõem a estrutura cristalina do material. Conforme a temperatura de um material muda, o mesmo acontece com a quantidade de vibração e o efeito resultante dessa vibração no transporte de carga.

As vibrações individuais podem ser consideradas como quasipartículas chamadas fônons, que são excitações em materiais que se comportam como partículas individuais, movendo-se e quicando como um objeto. Phonons se comportam como as ondas do oceano, enquanto os elétrons são como um barco navegando naquele oceano, empurrado pelas ondas. Em alguns materiais, a forte interação entre elétrons e fônons, por sua vez, cria uma nova quase-partícula conhecida como polaron.

"O chamado regime polaron, em que os elétrons interagem fortemente com os movimentos atômicos, tem estado fora do alcance para cálculos de primeiros princípios de transporte de carga porque requer ir além de abordagens perturbativas simples para tratar a forte interação elétron-fônon, "diz Bernardi." Usando um novo método, fomos capazes de prever a formação e a dinâmica dos polarons no titanato de estrôncio. Este avanço é crucial, uma vez que muitos semicondutores e óxidos de interesse para futuras aplicações eletrônicas e de energia exibem efeitos polaron. "

O titanato de estrôncio é conhecido como um material complexo porque em diferentes temperaturas sua estrutura atômica muda dramaticamente, com a estrutura de cristal mudando de uma forma para outra, o que, por sua vez, muda os fônons que os elétrons precisam navegar. Ano passado, Zhou e Bernardi apareceram em um Cartas de revisão física papel que eles podem descrever os fônons associados a essas transições de fase estruturais e incluí-los em seu fluxo de trabalho computacional para prever com precisão a dependência da temperatura da mobilidade do elétron no titanato de estrôncio.

Agora, eles desenvolveram um novo método que pode descrever as fortes interações entre os elétrons e fônons no titanato de estrôncio. Isso permite que eles expliquem a formação de polarons e prevejam com precisão tanto o valor absoluto quanto a dependência da mobilidade do elétron com a temperatura, uma propriedade de transporte de carga chave em materiais.

Ao fazer isso, eles descobriram uma característica exótica do titanato de estrôncio:o transporte de carga próximo à temperatura ambiente não pode ser explicado com a imagem padrão simples de elétrons se espalhando com vibrações atômicas no material. Em vez, transporte ocorre em um regime de mecânica quântica sutil em que os elétrons carregam eletricidade coletivamente em vez de individualmente, permitindo-lhes violar o limite teórico para transporte de carga.

"No titanato de estrôncio, o mecanismo usual de transporte de carga devido ao espalhamento de elétrons com fônons foi amplamente aceito na última metade do século. Contudo, a imagem que emerge do nosso estudo é muito mais complicada, "diz Zhou." À temperatura ambiente, é como se cerca de metade de cada elétron contribuísse para o transporte de carga através do mecanismo usual de espalhamento de fônons, enquanto a outra metade do elétron contribui para uma forma coletiva de transporte que ainda não é totalmente compreendida. "

Além de representar um avanço fundamental na compreensão do transporte de cargas, o novo método de Zhou e Bernardi pode ser aplicado a muitos semicondutores, bem como a materiais como óxidos e perovskitas, e para novos materiais quânticos exibindo efeitos polaron. Além de carregar o transporte, Zhou e Bernardi planejam investigar materiais com termoeletricidade não convencional (geração de eletricidade a partir do calor) e supercondutividade (corrente elétrica sem resistência). Nestes materiais, os cálculos existentes ainda não foram capazes de levar em consideração os efeitos do polaron.

O artigo é intitulado "Prevendo o transporte de carga na presença de polarons:o regime além da quase-partícula em SrTiO ₃ . "