Ny forståelse af ladningstransport afslører et eksotisk kvantemekanisk regime

I arbejde, der kan have brede implikationer for udviklingen af ​​nye materialer til elektronik, Caltech-forskere har for første gang udviklet en måde at forudsige, hvordan elektroner, der interagerer stærkt med atomare bevægelser, vil strømme gennem et komplekst materiale. For at gøre det, de stolede kun på principper fra kvantemekanikken og udviklede en nøjagtig ny beregningsmetode.

At studere et materiale kaldet strontiumtitanat, postdoc-forsker Jin-Jian Zhou og Marco Bernardi, assisterende professor i anvendt fysik og materialevidenskab, viste, at ladningstransport nær stuetemperatur ikke kan forklares med standardmodeller. Faktisk, det overtræder den planckiske grænse, en kvantehastighedsgrænse for, hvor hurtigt elektroner kan sprede energi, mens de strømmer gennem et materiale ved en given temperatur.

Deres arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Research den 2. december.

Standardbilledet af ladningstransport er enkelt:Elektroner, der strømmer gennem et fast materiale, bevæger sig ikke uhindret, men kan i stedet blive slået ud af kurs af de termiske vibrationer fra atomer, der udgør materialets krystallinske gitter. Når temperaturen på et materiale ændres, det samme gør mængden af ​​vibrationer og den deraf følgende effekt af denne vibration på ladningstransporten.

Individuelle vibrationer kan opfattes som kvasipartikler kaldet fononer, som er excitationer i materialer, der opfører sig som individuelle partikler, bevæger sig og hopper rundt som en genstand. Fononer opfører sig som bølgerne i havet, mens elektroner er som en båd, der sejler over det hav, skubbet af bølgerne. I nogle materialer, det stærke samspil mellem elektroner og fononer skaber igen en ny kvasipartikel kendt som en polaron.

"Det såkaldte polaronregime, hvor elektroner interagerer stærkt med atomare bevægelser, har været uden for rækkevidde for de første principielle beregninger af ladningstransport, fordi det kræver at gå ud over simple forstyrrende tilgange til at behandle den stærke elektron-fonon-interaktion, " siger Bernardi. "Ved at bruge en ny metode, vi har været i stand til at forudsige både dannelsen og dynamikken af ​​polaroner i strontiumtitanat. Dette fremskridt er afgørende, da mange halvledere og oxider af interesse for fremtidige elektronik- og energiapplikationer udviser polaroneffekter."

Strontiumtitanat er kendt som et komplekst materiale, fordi dets atomare struktur ændrer sig dramatisk ved forskellige temperaturer, med krystalgitteret skiftende fra en form til en anden, hvilket igen flytter de fononer, som elektronerne skal navigere. Sidste år, Zhou og Bernardi viste i en Fysisk gennemgangsbreve papir, at de kan beskrive fononerne forbundet med disse strukturelle faseovergange og inkludere dem i deres beregningsmæssige arbejdsgang for nøjagtigt at forudsige temperaturafhængigheden af ​​elektronmobiliteten i strontiumtitanat.

Nu, de har udviklet en ny metode, der kan beskrive de stærke vekselvirkninger mellem elektronerne og fononerne i strontiumtitanat. Dette giver dem mulighed for at forklare dannelsen af ​​polaroner og præcist forudsige både den absolutte værdi og temperaturafhængigheden af ​​elektronmobiliteten, en vigtig afgiftstransportegenskab i materialer.

Derved, de afslørede et eksotisk træk ved strontiumtitanat:Ladningstransport nær stuetemperatur kan ikke forklares med det simple standardbillede af elektroner, der spredes med atomvibrationer i materialet. Hellere, transport sker i et subtilt kvantemekanisk regime, hvor elektronerne bærer elektricitet kollektivt i stedet for individuelt, giver dem mulighed for at overtræde den teoretiske grænse for afgiftstransport.

"I strontiumtitanat, den sædvanlige mekanisme for ladningstransport på grund af elektronspredning med fononer er blevet bredt accepteret i det sidste halve århundrede. Imidlertid, det billede, der tegner sig fra vores undersøgelse, er langt mere kompliceret, " siger Zhou. "Ved stuetemperatur, det er som om, at omkring halvdelen af ​​hver elektron bidrager til ladningstransport gennem den sædvanlige fononspredningsmekanisme, mens den anden halvdel af elektronen bidrager til en kollektiv transportform, der endnu ikke er fuldt ud forstået."

Ud over at repræsentere et grundlæggende fremskridt i forståelsen af ​​ladningstransport, den nye metode af Zhou og Bernardi kan anvendes på mange halvledere såvel som på materialer som oxider og perovskiter, og til nye kvantematerialer, der udviser polaron-effekter. Udover gebyrtransport, Zhou og Bernardi planlægger at undersøge materialer med ukonventionel termoelektricitet (generering af elektricitet fra varme) og superledningsevne (elektrisk strøm uden modstand). I disse materialer, eksisterende beregninger har endnu ikke været i stand til at tage højde for polaroneffekter.

Artiklen har titlen "Forudsigelse af ladningstransport i nærvær af polaroner:The beyond-quasipartikel-regimet i SrTiO ₃ ."