A transição de metal para isolante - um processo que transforma materiais de condutor em isolante - tem sido um processo crucial por trás de interruptores microeletrônicos, memória não volátil e materiais de computação neuromórficos. Em muitos casos, esta transição é acompanhada por mudanças drásticas na simetria electrónica ou estrutural do material, o que pode provocar outras alterações não intencionais nas propriedades do material. É portanto desejado realizar tal transição sem quebrar a simetria dos materiais.



O professor Yu He liderou um estudo, publicado na Physical Review Research , que traz um foco mais claro sobre como essas transições podem ocorrer sem quebrar qualquer simetria nesses materiais.

Ele e colaboradores descobriram que o forte acoplamento entre os elétrons e uma rede atômica vibrante pode fazer com que um metal se torne um isolante sem a necessidade de interromper o padrão da rede estática. A descoberta revela um novo caminho para uma transição que anteriormente era considerada induzível apenas por fortes interações Coulomb elétron-elétron.

"A transição de metal para isolante tem sido um tema persistente na pesquisa em física da matéria condensada porque muitas vezes envolve os elétrons mudando suas próprias regras de organização entre dois estados fundamentalmente diferentes", disse He, professor assistente de física aplicada. Para “enganar” o material para tal transição sem incorrer em qualquer perturbação na sua simetria subjacente, a chave aqui é explorar as flutuações maciças das posições atómicas quando o material é quase unidimensional.

"Para simplificar, o material precisa ter um motivo de estrutura cristalina em forma de corrente. Foi assim que encontramos o material em forma de agulha Ta₂ NiSe₅ ."

Tanto a interação elétron-elétron Coulomb quanto o acoplamento elétron-rede podem dar origem a transições metal-isolante na ausência de qualquer simetria quebrada. Mas para definir a contribuição dominante, diz He, também é crucial determinar as interacções efectivas em cada sector. "A determinação quantitativa dos parâmetros de interação na equação de materiais reais de Schrodinger tem sido uma tarefa muito difícil."

Para o seu tema, He e a sua equipa de investigação montaram um ataque coordenado tanto do lado experimental como teórico. A combinação de espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo in situ e difração de raios X forneceu aos pesquisadores uma visão microscópica direta do comportamento eletrônico e atômico do material.

Integrados com cálculos de modelos avançados em colaboração com o Prof. Yao Wang e sua equipe da Emory University, os pesquisadores conseguiram gerar diretamente uma "representação digital" eficaz do material que captura quase todas as suas propriedades físicas não convencionais, incluindo a preservação de simetria. transição metal-isolante, induzida pelo acoplamento de elétrons a flutuações massivas da rede.

Na maioria dos materiais a granel, os átomos são tão pesados ​​e lentos que, quando vibram, os elétrons – com menos de 1/1000 da massa atômica – podem quase sempre segui-los instantaneamente. Esta é a chamada aproximação de Born-Oppenheimer (“Sim, o Oppenheimer”, diz ele).

"No entanto, quando os materiais são quase unidimensionais, a rede atômica muitas vezes flutua violentamente e, às vezes, os elétrons não conseguem mais acompanhar cada reviravolta que os átomos fazem", disse He. “Então eles jogam as mãos para o alto e dizem 'OK, eu desisto'. É aí que você obtém um isolante. Mas os átomos ainda não quebraram qualquer simetria - eles apenas oscilam em torno de sua posição estática original."

Ele observa que, com o rápido desenvolvimento da espectroscopia avançada e dos métodos computacionais modernos, este trabalho não apenas revela flutuações de baixa dimensão como uma fonte amplamente inexplorada para projetar novas propriedades em materiais quânticos. Ele também oferece uma estrutura mais geral para "sequenciar o genoma dos materiais", medindo diretamente as forças das interações microscópicas em modelos quânticos mínimos de muitos corpos desses materiais.

“Assim que tivermos seus DNAs quânticos em mãos, esses materiais complexos serão muito mais domesticáveis ​​para a engenharia preditiva de materiais”, disse He.

Mais informações: Cheng Chen et al, Papel do acoplamento elétron-fônon no candidato a isolante excitônico Ta₂ NiSe₅ , Pesquisa de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043089
Informações do diário: Pesquisa de revisão física

Fornecido pela Universidade de Yale