Сильно коррелированные материалы — это широкий класс соединений, которые включают изоляторы и электронные материалы и демонстрируют необычные (часто технологически полезные) электронные и магнитные свойства, такие как переходы металл-изолятор, поведение тяжелых фермионов, полуметалличность и разделение спина и заряда. Существенной особенностью, определяющей эти материалы, является то, что поведение их электронов или спинонов не может быть эффективно описано в терминах невзаимодействующих сущностей. Теоретические модели электронной (фермионной) структуры сильно коррелированных материалов должны включать электронную (фермионную) корреляцию, чтобы быть точными. С недавнего времени для обозначения сильно коррелированных материалов, среди прочего, также используется название квантовые материалы.
Оксиды переходных металлов[edit]
Многие оксиды переходных металлов принадлежат к этому классу, который может быть подразделен в соответствии с их поведением, например высокотемпературные, спинтронные материалы, мультиферроики, изоляторы Мотта, спиновые материалы Пайерлса, материалы с тяжелыми фермионами, квазинизкоразмерные материалы и т. д. Единственным наиболее интенсивно изучаемым эффектом, вероятно, является высокотемпературная сверхпроводимость в легированных купратах, например, La2−xSrxCuO4. Другие явления упорядочения или магнитные явления и температурно-индуцированные фазовые переходы во многих оксидах переходных металлов также объединены под термином «сильно коррелированные материалы».
Электронные структуры[править]
Обычно сильно коррелированные материалы имеют не полностью заполненные d— или f-электронные оболочки с узкими энергетическими зонами. Больше нельзя считать, что любой электрон в материале находится в «море» усредненного движения других (также известном как теория среднего поля). Каждый отдельный электрон оказывает сложное влияние на своих соседей.
Термин сильная корреляция относится к поведению электронов в твердых телах, которое не описывается (часто даже качественно правильно) простыми одноэлектронными теориями, такими как приближение локальной плотности (LDA). теории функционала плотности или теории Хартри – Фока. Например, кажущийся простым материал NiO имеет частично заполненную 3d-зону (атом Ni имеет 8 из 10 возможных 3d-электронов), и поэтому можно было бы ожидать, что он будет хороший проводник. Однако сильное кулоновское отталкивание (эффект корреляции) между d электронами делает NiO вместо этого широкозонным изолятором. Таким образом, сильно коррелированные материалы имеют электронные структуры, которые не являются ни просто свободными электронами, ни полностью ионными, а представляют собой смесь того и другого.
Теории
Расширения LDA (LDA+U, GGA, SIC, GW и т. д.), а также упрощенные модели гамильтонианов (например, модели типа Хаббарда) были предложены и разработаны для описания явлений, которые обусловлены сильной электронной корреляцией. Среди них динамическая теория среднего поля (DMFT) успешно охватывает основные особенности коррелированных материалов. Схемы, которые используют как LDA, так и DMFT, объясняют многие экспериментальные результаты в области коррелированных электронов.
Структурные исследования[править]
Экспериментально оптическая спектроскопия, высокоэнергетическая электронная спектроскопия, резонансная фотоэмиссия и совсем недавно резонансное неупругое (жесткое и мягкое) рентгеновское рассеяние (RIXS) и нейтронная спектроскопия использовались для изучения электронной и магнитной структуры сильно коррелированных материалов. Спектральные сигнатуры, наблюдаемые этими методами, которые не объясняются одноэлектронной плотностью состояний, часто связаны с эффектами сильной корреляции. Экспериментально полученные спектры можно сравнить с предсказаниями определенных моделей или использовать для установления ограничений на наборы параметров. Например, была установлена схема классификации оксидов переходных металлов в рамках так называемой диаграммы Заанена–Савацки–Аллена.
Приложения[править]
Манипулирование и использование коррелированных явлений имеет такие приложения, как сверхпроводящие магниты и технологии магнитного хранения (CMR). Другие явления, такие как переход металл-изолятор в VO2, были исследованы как средство создания умных окон для снижения требований к отоплению/охлаждению помещения. Кроме того, переходы металл-изолятор в изоляционных материалах Мотта, таких как LaTiO3, можно настраивать с помощью регулировок заполнения зоны, чтобы потенциально использовать их для создания транзисторов, которые будут использовать обычные конфигурации полевых транзисторов, чтобы воспользоваться резким изменением проводимости материала. Транзисторы, использующие переходы металл-изолятор в изоляторах Мотта, часто называют транзисторами Мотта, и ранее они успешно изготавливались с использованием VO2, но для их работы требовались более сильные электрические поля, индуцированные ионными жидкостями в качестве материала затвора.
