Forskere simulerer elektronlokalisering i rigtige materialer

Forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL), i samarbejde med Florida State University, har udviklet en metode til at simulere elektronlokalisering i virkelige materialer, herunder ufuldkommenheder og elektron-elektron-interaktioner.

Elektronlokalisering er elektronernes tendens til at blive indesluttet eller klynget i små områder af et materiale, ligesom mennesker har en tendens til at klynge sig i byer over hele landet. Klynger kan være forårsaget af lokale faktorer såsom materialefejl, eller som i tilfældet med Jorden, tilstedeværelsen af ​​naturressourcer, floddeltaer, eller andre attraktive geografiske træk.

En anden årsag til sammenklumpning er elektron-elektron-interaktioner af frastødende Coulomb-kræfter, den stærke elektrostatiske kraft, som ladede partikler oplever. Der er et lignende fænomen blandt forskellige menneskelige befolkninger, når aversion eller tvivl, der eksisterer mellem samfund, overstiger den gensidige fordel ved at arbejde sammen og udveksle ressourcer. Ligesom menneskelig migration påvirker samfundet, elektronlokalisering påvirker materialeegenskaber såsom optisk absorption og elektronledningsevne.

I klassisk mekanik, menneskers placering, biler, etc., kan spores, i hvert fald i princippet. Sådan sporing er ikke mulig i kvantemekanik, hvor partikelplaceringer i stedet er givet i form af sandsynlighedstætheder. Nedbrydningen af ​​elektronsandsynlighedens tæthed inde i et fast stof er et mål for elektronlokalisering.

"I metaller, de elektroniske stater er delokaliseret, tillader elektroner at bevæge sig fra sted til sted på tværs af materialet, " sagde Dr. Daniel Gunlycke, leder af NRL's Teoretisk Kemi Sektion. "Ufuldkommenheder og elektron-elektron interaktioner, imidlertid, kan lokalisere de elektroniske tilstande, at forvandle et metal til en isolator. Det giver os en mekanisme til at kontrollere de elektroniske egenskaber og udvikle forbedrede funktionaliteter i eksisterende såvel som nye materialer til brug i applikationer lige fra optoelektronik i nanoskala til korrosionsforebyggelse i makroskala."

Ifølge Gunlycke, der er en lang historie med teoretisk forskning i stærk elektronlokalisering.

"Størstedelen af ​​dette arbejde fokuserer på lokalisering induceret af enten ufuldkommenheder eller elektron-elektron-interaktioner. Disse begrænsende tilfælde blev forudsagt af Philip Anderson og Nevill Francis Mott, nu kendt som Anderson og Mott lokalisering, henholdsvis, " sagde Gunlycke. "Men, vi ved også, at ufuldkommenheder og elektron-elektron-interaktioner begge kan være betydelige i virkelige materialer, især i lavdimensionelle materialer, hvor elektronisk polarisering generelt er mindre effektiv til at reducere langtrækkende elektron-elektron Coulomb-interaktioner."

Ved siden af ​​eksperimenter og teori, computersimuleringer er afgørende for at udvikle en forståelse af mange fysiske egenskaber i ægte uberørte faste stoffer.

"På trods af behovet, udviklingen af ​​en første-principbaseret beregningsmetode til at karakterisere elektronlokalisering i virkelige materialer har været udfordrende, da ufuldkommenheder og elektron-elektron-interaktioner bryder to af de grundlæggende antagelser i båndteori:materialehomogenitet og partikeluafhængighed, sagde Gunlycke.

I et brev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , 10. marts nummer, Forfatterne præsenterer en ny metode til at overvinde disse vejspærringer ved at kombinere densitetsfunktionsteori med første principper, Anderson-Hubbard modellen, og den typiske medium dynamiske klyngetilnærmelse inden for dynamisk middelfeltteori.

"Der er et komplekst samspil mellem ufuldkommenheder og elektron-elektron-interaktioner i virkelige materialer, " sagde Dr. Chinedu Ekuma, en National Research Council (NRC) postdoc-forsker i Dr. Gunlyckes gruppe. "Computersimuleringer aktiveret af vores metode forventes at afsløre ny kritisk indsigt."

Den nye metode til at simulere elektronlokalisering i virkelige materialer er blevet anvendt på monolag hexagonal bornitrid, en isolator med store mellemrum, og forudsiger, at dette er et materiale, der kræver både ufuldkommenheder og elektron-elektron-interaktioner for at gennemgå en isolator-til-metal-overgang.