Сильно коррелированный материал

Сильно коррелированный материал

Сильно коррелированные материалы: Понимание их уникальных свойств и применения

Сильно коррелированные материалы представляют собой обширный класс соединений, которые включают как изоляторы, так и электронные материалы. Эти материалы обладают необычными электронными и магнитными свойствами, которые могут быть технологически полезными. К таким свойствам относятся переходы металл-изолятор, поведение тяжелых фермионов, полуметалличность, а также разделение спина и заряда. Основной особенностью сильно коррелированных материалов является то, что поведение их электронов или спинонов не может быть адекватно описано с помощью простых моделей, основанных на невзаимодействующих частицах.

Для точного описания электронной структуры сильно коррелированных материалов необходимо учитывать электронные корреляции. В последние годы для обозначения этого класса материалов также используется термин «квантовые материалы». Это подчеркивает их уникальные свойства и важность в современных исследованиях.

Оксиды переходных металлов

Многие оксиды переходных металлов входят в категорию сильно коррелированных материалов. Эти соединения можно классифицировать по их поведению, включая высокотемпературные сверхпроводники, спинтронные материалы, мультиферроики и изоляторы Мотта. Одним из наиболее изучаемых явлений в этой области является высокотемпературная сверхпроводимость, наблюдаемая в легированных купратах, таких как La2−xSrxCuO4. Кроме того, многие оксиды переходных металлов демонстрируют интересные магнитные явления и температурно-индуцированные фазовые переходы, которые также относятся к категории сильно коррелированных материалов.

Электронные структуры

Сильно коррелированные материалы обычно имеют неполностью заполненные d- или f-электронные оболочки, что приводит к образованию узких энергетических зон. В таких материалах нельзя считать, что каждый электрон находится в «море» усредненного движения других электронов, как это предполагается в теории среднего поля. Вместо этого каждый отдельный электрон оказывает сложное влияние на своих соседей, что приводит к уникальным свойствам.

Термин «сильная корреляция» описывает поведение электронов в твердых телах, которое не может быть адекватно объяснено простыми одноэлектронными теориями, такими как приближение локальной плотности (LDA) или теории функционала плотности. Например, материал NiO, который на первый взгляд кажется простым, имеет частично заполненную 3d-зону. Ожидалось бы, что он будет хорошим проводником, однако сильное кулоновское отталкивание между d-электронами делает NiO широкозонным изолятором. Таким образом, сильно коррелированные материалы имеют электронные структуры, которые представляют собой смесь свободных электронов и полностью ионных состояний.

Теории

Для описания явлений, связанных с сильной электронной корреляцией, были предложены различные теоретические модели. Расширения LDA, такие как LDA+U, GGA, SIC и GW, а также упрощенные модели гамильтонианов, например, модели типа Хаббарда, помогают объяснить поведение сильно коррелированных материалов. Одной из успешных теорий является динамическая теория среднего поля (DMFT), которая охватывает основные особенности коррелированных материалов. Комбинированные схемы, использующие как LDA, так и DMFT, позволяют объяснить многие экспериментальные результаты в области коррелированных электронов.

Структурные исследования

Для изучения электронной и магнитной структуры сильно коррелированных материалов используются различные экспериментальные методы, такие как оптическая спектроскопия, высокоэнергетическая электронная спектроскопия и резонансная фотоэмиссия. В последние годы также активно применяются методы резонансного неупругого рентгеновского рассеяния (RIXS) и нейтронной спектроскопии. Спектральные сигнатуры, полученные с помощью этих методов, часто не могут быть объяснены с помощью одноэлектронной плотности состояний и связаны с эффектами сильной корреляции. Экспериментально полученные спектры можно сравнивать с предсказаниями теоретических моделей или использовать для установления ограничений на наборы параметров. Например, была разработана схема классификации оксидов переходных металлов в рамках диаграммы Заанена–Савацки–Аллена.

Приложения

Сильно коррелированные материалы находят применение в различных областях, включая технологии сверхпроводящих магнитов и магнитного хранения информации.