Wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL), in samenwerking met de Florida State University, hebben een methode ontwikkeld om elektronenlokalisatie in echte materialen te simuleren, inclusief onvolkomenheden en elektron-elektron-interacties.

Elektronenlokalisatie is de neiging van elektronen om opgesloten of geclusterd te worden in kleine delen van een materiaal, net zoals mensen de neiging hebben om te clusteren in steden in het hele land. Clustering kan worden veroorzaakt door lokale factoren zoals materiële onvolkomenheden, of zoals in het geval van de aarde, de aanwezigheid van natuurlijke hulpbronnen, rivierdelta's, of andere aantrekkelijke geografische kenmerken.

Een andere oorzaak voor bundeling zijn elektron-elektron-interacties van afstotende Coulomb-krachten, de sterke elektrostatische kracht die wordt ervaren door geladen deeltjes. Er is een soortgelijk fenomeen onder verschillende menselijke populaties, wanneer de afkeer of twijfel die bestaat tussen gemeenschappen groter is dan het wederzijdse voordeel van samenwerken en het uitwisselen van middelen. Net zoals menselijke migratie de samenleving beïnvloedt, elektronenlokalisatie beïnvloedt materiaaleigenschappen zoals optische absorptie en elektronengeleiding.

In de klassieke mechanica, de locaties van mensen, auto's, enzovoort., kan worden gevolgd, althans in principe. Dergelijke tracking is niet mogelijk in de kwantummechanica, waar deeltjeslocaties in plaats daarvan worden gegeven in termen van waarschijnlijkheidsdichtheden. Het verval van de elektronenkansdichtheid in een vaste stof is een maat voor de elektronenlokalisatie.

"Bij metalen, de elektronische toestanden zijn gedelokaliseerd, waardoor elektronen van plaats naar plaats over het materiaal kunnen bewegen, " zei Dr. Daniel Gunlycke, hoofd van de sectie Theoretische Chemie van het NRL. "Imperfecties en elektron-elektron interacties, echter, kan de elektronische toestanden lokaliseren, het veranderen van een metaal in een isolator. Het biedt ons een mechanisme om de elektronische eigenschappen te controleren en verbeterde functionaliteiten in bestaande en nieuwe materialen te ontwikkelen voor gebruik in toepassingen variërend van opto-elektronica op nanoschaal tot corrosiepreventie op macroschaal."

Volgens Gunlycke, er is een lange geschiedenis van theoretisch onderzoek naar sterke elektronenlokalisatie.

"Het grootste deel van dit werk richt zich op lokalisatie die wordt veroorzaakt door onvolkomenheden of elektron-elektron-interacties. Deze beperkende gevallen werden voorspeld door Philip Anderson en Nevill Francis Mott, nu bekend als Anderson en Mott-lokalisatie, respectievelijk, "Zei Gunlycke. "Echter, we weten ook dat onvolkomenheden en elektron-elektron-interacties beide aanzienlijk kunnen zijn in echte materialen, vooral in laagdimensionale materialen waar elektronische polarisatie over het algemeen minder effectief is in het verminderen van de lange afstand elektron-elektron Coulomb-interacties."

Naast experiment en theorie, computersimulaties zijn essentieel om inzicht te krijgen in veel fysische eigenschappen in echte ongerepte vaste stoffen.

"Ondanks de noodzaak, de ontwikkeling van een op de eerste beginselen gebaseerde computermethode om elektronenlokalisatie in echte materialen te karakteriseren, was een uitdaging, omdat onvolkomenheden en elektron-elektron-interacties twee van de fundamentele veronderstellingen in de bandentheorie breken:materiële homogeniteit en deeltjesonafhankelijkheid, ’ zei Gunlycke.

In een brief gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , 10 maart nummer, de auteurs presenteren een nieuwe methode om deze wegversperringen te overwinnen door de eerste-principes dichtheidsfunctionaaltheorie te combineren, het Anderson-Hubbard-model, en de typische medium dynamische clusterbenadering binnen dynamische gemiddelde-veldentheorie.

"Er is een complexe wisselwerking tussen onvolkomenheden en elektron-elektron interacties in echte materialen, " zei Dr. Chinedu Ekuma, een postdoctoraal onderzoeker van de National Research Council (NRC) in de groep van Dr. Gunlycke. "Computersimulaties die door onze methode mogelijk zijn gemaakt, zullen naar verwachting nieuw kritisch inzicht onthullen."

De nieuwe methode om elektronenlokalisatie in echte materialen te simuleren, is toegepast op monolaag hexagonaal boornitride, een isolator met grote spleet, en voorspelt dat dit een materiaal is dat zowel onvolkomenheden als elektron-elektron-interacties vereist om een ​​isolator-naar-metaalovergang te ondergaan.