Forskning giver indsigt i metal-til-isolator-overgangen uden at bryde symmetrien

Metal-til-isolator-overgang - en proces, der forvandler materialer fra en leder til en isolator - har været en afgørende proces bag mikroelektroniske kontakter, ikke-flygtig hukommelse og neuromorfe computermaterialer. I mange tilfælde er denne overgang ledsaget af drastiske ændringer i materialets elektroniske eller strukturelle symmetri, hvilket kan medføre andre utilsigtede egenskabsændringer i materialet. Det er derfor ønsket at realisere en sådan overgang uden at bryde materialernes symmetri.

Prof. Yu He ledede en undersøgelse, offentliggjort i Physical Review Research , der bringer et klarere fokus på, hvordan disse overgange kan finde sted uden at bryde nogen symmetri i disse materialer.

Han og samarbejdspartnere fandt ud af, at stærk kobling mellem elektroner og et vibrerende atomgitter kan få et metal til at blive en isolator uden at skulle forstyrre det statiske gittermønster. Fundet afslører en ny vej til en overgang, der tidligere blev anset for kun at kunne induceres af stærke elektron-elektron Coulomb-interaktioner.

"Metal-til-isolator-overgang har været et vedvarende tema i forskning i kondenseret stof, fordi det ofte involverer elektronerne, der ændrer deres egne regler for organisation mellem to fundamentalt forskellige tilstande," sagde He, assisterende professor i anvendt fysik. For at "narre" materialet til en sådan overgang uden at pådrage sig nogen forstyrrelse i dets underliggende symmetri, er nøglen her at udnytte de massive fluktuationer i atompositionerne, når materialet er næsten endimensionelt.

"For at sige det på almindeligt engelsk skal materialet have et kædelignende krystalstrukturmotiv. Det var sådan vi fandt det nålelignende materiale Ta₂ NiSe₅ ."

Både elektron-elektron Coulomb-interaktion og elektron-gitter-kobling kan give anledning til metal-til-isolator-overgange i fravær af brudt symmetri. Men for at fastlægge det dominerende bidrag, siger han, er det også afgørende at bestemme de effektive interaktioner i hver sektor. "Kvantitativ bestemmelse af interaktionsparametrene i Schrodingers ligning af virkelige materialer har været en meget vanskelig opgave."

For deres emne iværksatte han og hans forskerhold et koordineret angreb fra både eksperimentelle og teoretiske sider. Kombinationen af ​​in situ vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi og røntgendiffraktion gav forskerne et direkte mikroskopisk overblik over materialets elektroniske og atomare adfærd.

Integreret med avancerede modelberegninger i samarbejde med prof. Yao Wang og hans team ved Emory University, var forskerne i stand til direkte at generere en effektiv "digital repræsentation" af materialet, der fanger næsten alle dets ukonventionelle fysiske egenskaber, herunder symmetribevarende metal-til-isolator-overgang, induceret af elektronkobling til massive gitterudsving.

I de fleste bulkmaterialer er atomerne så tunge og træge, at når de vibrerer, kan elektronerne – med mindre end 1/1000 af atommassen – næsten altid øjeblikkeligt følge med. Dette er den såkaldte Born-Oppenheimer-tilnærmelse ("Ja, Oppenheimer," siger han).

"Men når materialerne er quasi-en-dimensionelle, svinger atomgitteret ofte voldsomt, og nogle gange kan elektronerne ikke længere følge med hver eneste drejning og drejning, som atomerne laver," sagde han. "Så kaster de hænderne i vejret og siger 'OK, jeg holder op'. Det er, når du får en isolator, men atomerne mangler endnu at bryde nogen symmetri - de svinger bare rundt om deres oprindelige, statiske position."

Han bemærker, at med den hurtige udvikling af avanceret spektroskopi og moderne beregningsmetoder afslører dette arbejde ikke kun lavdimensionelle fluktuationer som en stort set uudnyttet kilde til at konstruere nye egenskaber i kvantematerialer. Det tilbyder også en mere generel ramme til at "sekventere materialernes genom" ved direkte at måle de mikroskopiske interaktionsstyrker i minimale kvante-mangekropsmodeller af disse materialer.

"Når vi har deres kvante-DNA'er i hånden, vil disse komplekse materialer være meget mere tæmmelige til forudsigelig materialeteknik," sagde han.

Flere oplysninger: Cheng Chen et al., Rolle af elektron-fonon-kobling i excitonisk isolatorkandidat Ta₂ NiSe₅ , Physical Review Research (2023). DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043089

Journaloplysninger: Physical Review Research

Leveret af Yale University