Сильно коррелированные материалы представляют собой широкий класс соединений, которые включают изоляторы и электронные материалы и демонстрируют необычные (часто технологически полезные) электронные и магнитные свойства , такие как переходы металл-изолятор , поведение тяжелых фермионов , полуметалличность и разделение спинового заряда . Существенной особенностью, определяющей эти материалы, является то, что поведение их электронов или спинонов не может быть эффективно описано в терминах невзаимодействующих сущностей. [1] Теоретические модели электронной ( фермионной ) структуры сильно коррелированных материалов должны включать электронную ( фермионную ) корреляцию , чтобы быть точными. С недавнего времени для обозначения сильно коррелированных материалов, среди прочего, также используется название квантовые материалы .
Многие оксиды переходных металлов принадлежат к этому классу [2], который может быть подразделен в соответствии с их поведением, например , высокотемпературные , спинтронные материалы , мультиферроики , изоляторы Мотта , материалы спин-Пайерлса, материалы с тяжелыми фермионами , квазинизкоразмерные материалы и т. д. Единственным наиболее интенсивно изучаемым эффектом, вероятно, является высокотемпературная сверхпроводимость в легированных купратах , например, La2 − xSrxCuO4 . Другие явления упорядочения или магнитные явления и температурно-индуцированные фазовые переходы во многих оксидах переходных металлов также объединены под термином «сильно коррелированные материалы».
Обычно сильно коррелированные материалы имеют не полностью заполненные d - или f - электронные оболочки с узкими энергетическими зонами. Больше нельзя рассматривать любой электрон в материале как находящийся в " море " усредненного движения других (также известном как теория среднего поля ). Каждый отдельный электрон оказывает сложное влияние на своих соседей.
Термин сильная корреляция относится к поведению электронов в твердых телах, которое не очень хорошо описывается (часто даже не качественно правильно) простыми одноэлектронными теориями, такими как приближение локальной плотности (LDA) теории функционала плотности или теории Хартри-Фока . Например, кажущийся простым материал NiO имеет частично заполненную 3d - зону (атом Ni имеет 8 из 10 возможных 3d - электронов) и, следовательно, можно было бы ожидать, что он будет хорошим проводником. Однако сильное кулоновское отталкивание (эффект корреляции) между d -электронами делает NiO вместо этого широкозонным изолятором . Таким образом, сильно коррелированные материалы имеют электронные структуры, которые не являются ни просто свободными электронами, ни полностью ионными, а представляют собой смесь того и другого.
Расширения LDA (LDA+U, GGA, SIC, GW и т. д.), а также упрощенные модели гамильтонианов (например, модели типа Хаббарда ) были предложены и разработаны для описания явлений, которые обусловлены сильной электронной корреляцией. Среди них динамическая теория среднего поля (DMFT) успешно охватывает основные особенности коррелированных материалов. Схемы, которые используют как LDA, так и DMFT, объясняют многие экспериментальные результаты в области коррелированных электронов.
Экспериментально оптическая спектроскопия, высокоэнергетическая электронная спектроскопия , резонансная фотоэмиссия и совсем недавно резонансное неупругое (жесткое и мягкое) рентгеновское рассеяние ( RIXS ) и нейтронная спектроскопия использовались для изучения электронной и магнитной структуры сильно коррелированных материалов. Спектральные сигнатуры, наблюдаемые этими методами, которые не объясняются одноэлектронной плотностью состояний, часто связаны с эффектами сильной корреляции. Экспериментально полученные спектры можно сравнить с предсказаниями определенных моделей или использовать для установления ограничений на наборы параметров. Например, была установлена схема классификации оксидов переходных металлов в рамках так называемой диаграммы Заанена–Савацки–Аллена . [3]
Манипулирование и использование коррелированных явлений имеет такие приложения, как сверхпроводящие магниты и технологии магнитного хранения (CMR) [ требуется ссылка ] . Другие явления, такие как переход металл-изолятор в VO 2, были исследованы как средство создания умных окон для снижения требований к отоплению/охлаждению помещения. [4] Кроме того, переходы металл-изолятор в изоляционных материалах Мотта, таких как LaTiO 3, можно настраивать с помощью регулировок заполнения зоны, чтобы потенциально использовать их для создания транзисторов, которые будут использовать обычные конфигурации полевых транзисторов, чтобы воспользоваться резким изменением проводимости материала. [5] Транзисторы, использующие переходы металл-изолятор в изоляторах Мотта, часто называют транзисторами Мотта, и они были успешно изготовлены с использованием VO 2 ранее, но для их работы требовались более сильные электрические поля, индуцированные ионными жидкостями в качестве материала затвора. [6]
{{cite book}}: |author=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )