In werk dat brede implicaties kan hebben voor de ontwikkeling van nieuwe materialen voor elektronica, Caltech-wetenschappers hebben voor het eerst een manier ontwikkeld om te voorspellen hoe elektronen die sterk interageren met atomaire bewegingen door een complex materiaal zullen stromen. Om dit te doen, ze vertrouwden alleen op principes uit de kwantummechanica en ontwikkelden een nauwkeurige nieuwe rekenmethode.

Een materiaal bestuderen dat strontiumtitanaat wordt genoemd, postdoctoraal onderzoeker Jin-Jian Zhou en Marco Bernardi, universitair docent toegepaste natuurkunde en materiaalkunde, toonde aan dat ladingstransport nabij kamertemperatuur niet kan worden verklaard door standaardmodellen. In feite, het overtreedt de Planckiaanse limiet, een kwantumsnelheidslimiet voor hoe snel elektronen energie kunnen dissiperen terwijl ze bij een bepaalde temperatuur door een materiaal stromen.

Hun werk werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysiek beoordelingsonderzoek op 2 dec.

Het standaardbeeld van ladingstransport is eenvoudig:elektronen die door een vast materiaal stromen, bewegen niet ongehinderd, maar kunnen in plaats daarvan uit hun koers worden geslagen door de thermische trillingen van atomen die het kristalrooster van het materiaal vormen. Als de temperatuur van een materiaal verandert, dat geldt ook voor de hoeveelheid trillingen en het resulterende effect van deze trillingen op het ladingstransport.

Individuele trillingen kunnen worden gezien als quasideeltjes die fononen worden genoemd, dat zijn excitaties in materialen die zich gedragen als individuele deeltjes, bewegen en rondstuiteren als een object. Fononen gedragen zich als de golven in de oceaan, terwijl elektronen zijn als een boot die over die oceaan vaart, verdrongen door de golven. Bij sommige materialen is de sterke interactie tussen elektronen en fononen creëert op zijn beurt een nieuw quasideeltje dat bekend staat als een polaron.

"Het zogenaamde polaronregime, waarin elektronen sterk interageren met atomaire bewegingen, onbereikbaar was voor eerste-principeberekeningen van ladingstransport omdat het verder gaat dan eenvoudige perturbatieve benaderingen om de sterke elektron-fononinteractie te behandelen, " zegt Bernardi. "Door een nieuwe methode te gebruiken, we hebben zowel de vorming als de dynamiek van polaronen in strontiumtitanaat kunnen voorspellen. Deze vooruitgang is cruciaal omdat veel halfgeleiders en oxiden die van belang zijn voor toekomstige elektronica- en energietoepassingen polaroneffecten vertonen."

Strontiumtitanaat staat bekend als een complex materiaal omdat bij verschillende temperaturen de atomaire structuur drastisch verandert, met het kristalrooster dat van de ene vorm naar de andere verschuift, wat op zijn beurt de fononen verschuift die elektronen moeten navigeren. Vorig jaar, Zhou en Bernardi toonden in a Fysieke beoordelingsbrieven document dat ze de fononen kunnen beschrijven die zijn geassocieerd met deze structurele faseovergangen en deze kunnen opnemen in hun computationele workflow om de temperatuurafhankelijkheid van de elektronenmobiliteit in strontiumtitanaat nauwkeurig te voorspellen.

Nutsvoorzieningen, ze hebben een nieuwe methode ontwikkeld die de sterke interacties tussen de elektronen en fononen in strontiumtitanaat kan beschrijven. Hierdoor kunnen ze de vorming van polaronen verklaren en zowel de absolute waarde als de temperatuurafhankelijkheid van de elektronenmobiliteit nauwkeurig voorspellen, een belangrijke lading-transporteigenschap in materialen.

Daarbij, ze ontdekten een exotisch kenmerk van strontiumtitanaat:ladingstransport nabij kamertemperatuur kan niet worden verklaard met het eenvoudige standaardbeeld van elektronen die met atomaire trillingen in het materiaal worden verstrooid. Liever, transport vindt plaats in een subtiel kwantummechanisch regime waarin de elektronen collectief elektriciteit vervoeren in plaats van individueel, waardoor ze de theoretische limiet voor ladingtransport overschrijden.

"In strontiumtitanaat, het gebruikelijke mechanisme van ladingstransport als gevolg van elektronenverstrooiing met fononen is de afgelopen halve eeuw algemeen aanvaard. Echter, het beeld dat uit ons onderzoek naar voren komt is veel gecompliceerder, " zegt Zhou. "Bij kamertemperatuur, het is alsof ongeveer de helft van elk elektron bijdraagt ​​aan het ladingstransport via het gebruikelijke fonon-verstrooiingsmechanisme, terwijl de andere helft van het elektron bijdraagt ​​aan een collectieve vorm van transport die nog niet helemaal begrepen is."

Naast een fundamentele vooruitgang in het begrip van ladingstransport, de nieuwe methode van Zhou en Bernardi kan op veel halfgeleiders worden toegepast, maar ook op materialen zoals oxiden en perovskieten, en op nieuwe kwantummaterialen die polaroneffecten vertonen. Naast ladingtransport, Zhou en Bernardi gaan materialen onderzoeken met onconventionele thermo-elektriciteit (het opwekken van elektriciteit uit warmte) en supergeleiding (elektrische stroom zonder weerstand). Bij deze materialen bestaande berekeningen hebben nog geen rekening kunnen houden met polaroneffecten.

Het artikel is getiteld "Predicting charge transport in the presence of polarons:The beyond-quasiarticle regime in SrTiO ₃ ."