De overgang van metaal naar isolator – een proces dat materialen van een geleider in een isolator verandert – is een cruciaal proces geweest achter micro-elektronische schakelaars, niet-vluchtig geheugen en neuromorfe computermaterialen. In veel gevallen gaat deze overgang gepaard met drastische veranderingen in de elektronische of structurele symmetrie van het materiaal, die andere onbedoelde eigenschappen van het materiaal kunnen veroorzaken. Het is daarom gewenst een dergelijke overgang te realiseren zonder de symmetrie van de materialen te verbreken.

Prof. Yu He leidde een onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Research , dat een duidelijkere focus geeft op hoe deze overgangen kunnen plaatsvinden zonder enige symmetrie in deze materialen te verbreken.

Hij en zijn medewerkers ontdekten dat een sterke koppeling tussen elektronen en een trillend atoomrooster ervoor kan zorgen dat een metaal een isolator wordt zonder dat het statische roosterpatroon hoeft te worden verstoord. De bevinding onthult een nieuw pad naar een transitie die voorheen alleen induceerbaar werd geacht door sterke elektron-elektron Coulomb-interacties.

"De overgang van metaal naar isolator is een blijvend thema in het onderzoek naar de gecondenseerde materie, omdat het vaak inhoudt dat de elektronen hun eigen organisatieregels veranderen tussen twee fundamenteel verschillende toestanden", zegt He, assistent-professor in de toegepaste natuurkunde. Om het materiaal tot een dergelijke overgang te 'verleiden' zonder enige verstoring van de onderliggende symmetrie te veroorzaken, is de sleutel hier het benutten van de enorme fluctuaties van de atomaire posities wanneer het materiaal quasi-eendimensionaal is.

"Om het in gewoon Nederlands te zeggen:het materiaal moet een kettingachtig kristalstructuurmotief hebben. Zo vonden we het naaldachtige materiaal Ta₂ NiSe₅ ."

Zowel de elektron-elektron Coulomb-interactie als de elektron-roosterkoppeling kunnen aanleiding geven tot overgangen van metaal naar isolator bij afwezigheid van enige gebroken symmetrie. Maar om de dominante bijdrage vast te stellen, is het volgens hem ook cruciaal om de effectieve interacties in elke sector te bepalen. "Kwantitatieve bepaling van de interactieparameters in de Schrödingervergelijking van echte materialen is een zeer moeilijke taak geweest."

Voor hun onderwerp voerden hij en zijn onderzoeksteam een ​​gecoördineerde aanval uit, zowel van experimentele als van theoretische kant. Door in situ hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie en röntgendiffractie te combineren, kregen de onderzoekers een direct microscopisch beeld van het elektronische en atomaire gedrag van het materiaal.

Geïntegreerd met geavanceerde modelberekeningen in samenwerking met prof. Yao Wang en zijn team aan de Emory University, waren de onderzoekers in staat om direct een effectieve ‘digitale representatie’ van het materiaal te genereren die bijna al zijn onconventionele fysieke eigenschappen vastlegt, inclusief de symmetriebehoudende eigenschappen. metaal-naar-isolator-overgang, veroorzaakt door elektronenkoppeling met enorme roosterfluctuaties.

In de meeste bulkmaterialen zijn de atomen zo zwaar en traag dat wanneer ze trillen, de elektronen – met minder dan 1/1000 van de atomaire massa – bijna altijd onmiddellijk kunnen volgen. Dit is de zogenaamde Born-Oppenheimer-benadering ("Ja, de Oppenheimer", zegt hij).

"Wanneer de materialen echter quasi-eendimensionaal zijn, fluctueert het atomaire rooster vaak hevig, en soms kunnen de elektronen niet langer elke draai en draai van de atomen bijhouden", zei hij. "Dan gooien ze hun handen in de lucht en zeggen:'Oké, ik stop ermee.' Dan krijg je een isolator. Maar de atomen hebben nog geen enkele symmetrie doorbroken; ze oscilleren alleen maar rond hun oorspronkelijke, statische positie."

Hij merkt op dat met de snelle ontwikkeling van geavanceerde spectroscopie en moderne computationele methoden dit werk niet alleen laag-dimensionale fluctuaties aan het licht brengt als een grotendeels onaangeboorde bron voor het ontwikkelen van nieuwe eigenschappen in kwantummaterialen. Het biedt ook een algemener raamwerk om "het materiaalgenoom te sequencen" door direct de microscopische interactiesterkten te meten in minimale kwantum-veel-lichaamsmodellen van deze materialen.

"Zodra we hun kwantum-DNA's in handen hebben, zullen deze complexe materialen een stuk beter te temmen zijn voor voorspellende materiaaltechnologie", zei hij.

Meer informatie: Cheng Chen et al., Rol van elektron-fononkoppeling in excitonische isolatorkandidaat Ta₂ NiSe₅ , Fysiek reviewonderzoek (2023). DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043089

Journaalinformatie: Fysiek reviewonderzoek

Aangeboden door Yale Universiteit