Distribution (Ρ) av den elektroniska sannolikhetstätheten (ρ) för lokaliserade och delokaliserade tillstånd. Denna fördelning är ungefär normal för delokaliserade tillstånd med betydande förväntad sannolikhetstäthet som gör att elektroner kan korsa materialet. Distributionen för lokaliserade stater är ungefär log-normal, på grund av den låga sannolikhetstätheten mellan lokaliseringsplatserna. Den senare låga densiteten är karakteristisk för en isolator. Upphovsman:U.S. Naval Research Laboratory
Forskare vid U.S.Naval Research Laboratory (NRL), i samarbete med Florida State University, har utvecklat en metod för att simulera elektronlokalisering i verkliga material inklusive brister och elektron-elektroninteraktioner.
Elektronlokalisering är elektronernas tendens att bli begränsade eller grupperade i små delar av ett material, ungefär som människor har en tendens att klustra i städer över hela landet. Kluster kan orsakas av lokala faktorer som materialfel, eller som i fallet med jorden, närvaron av naturresurser, floddeltor, eller andra attraktiva geografiska drag.
En annan orsak till buntning är elektron-elektron-interaktioner av frånstötande Coulomb-krafter, den starka elektrostatiska kraften som laddade partiklar upplever. Det finns ett liknande fenomen bland olika människor, när aversion eller tvivel som finns mellan samhällen överstiger den ömsesidiga nyttan av att arbeta tillsammans och utbyta resurser. Precis som mänsklig migration påverkar samhället, elektronlokalisering påverkar materialegenskaper som optisk absorption och elektronledning.
I klassisk mekanik, platserna för människor, bilar, etc., kan spåras, åtminstone i princip. Sådan spårning är inte möjlig inom kvantmekanik, där partikelplatser istället ges i termer av sannolikhetstäthet. Förfallet av elektronens sannolikhetstäthet inuti ett fast ämne är ett mått på elektronlokalisering.
"I metaller, de elektroniska tillstånden är delokaliserade, låta elektroner flytta från plats till plats över materialet, "sa doktor Daniel Gunlycke, chef för NRL:s teoretiska kemisektion. "Brister och elektron-elektroninteraktioner, dock, kan lokalisera de elektroniska tillstånden, förvandla en metall till en isolator. Det ger oss en mekanism för att styra de elektroniska egenskaperna och konstruera förbättrade funktioner i befintliga såväl som nya material för användning i applikationer som sträcker sig från nanoskala optoelektronik till förebyggande av korrosion i makroskala. "
Enligt Gunlycke, det finns en lång historia av teoretisk forskning om stark elektronlokalisering.
Isolator-till-metall-övergång i enskikts hexagonal bornitrid. Övergången kräver både brister (δ) och elektron-elektroninteraktioner (υ). Upphovsman:U.S. Naval Research Laboratory
"Majoriteten av detta arbete fokuserar på lokalisering orsakad av antingen brister eller elektron-elektroninteraktioner. Dessa begränsande fall förutspåddes av Philip Anderson och Nevill Francis Mott, nu känd som Anderson och Mott lokalisering, respektive, "Sa Gunlycke." Men vi vet också att brister och elektron-elektroninteraktioner båda kan vara betydande i verkliga material, speciellt i lågdimensionella material där elektronisk polarisering i allmänhet är mindre effektiv för att reducera Coulomb-interaktioner mellan elektroner och elektroner.
Vid sidan av experiment och teori, datasimuleringar är avgörande för att utveckla förståelsen för många fysiska egenskaper i verkliga orörda fasta ämnen.
"Trots behovet, utvecklingen av en första principbaserad beräkningsmetod för att karakterisera elektronlokalisering i verkliga material har varit utmanande, som ofullkomligheter och elektron-elektroninteraktioner bryter två av de grundläggande antagandena i bandteori:materialhomogenitet och partikeloberoende, sa Gunlycke.
I ett brev publicerat i Fysiska granskningsbrev , 10 mars nummer, författarna presenterar en ny metod för att övervinna dessa avspärrningar genom att kombinera de första principerna om densitet, funktionell teori, Anderson-Hubbard-modellen, och den typiska medeldynamiska kluster-approximationen inom dynamisk medelfältsteori.
"Det finns ett komplext samspel mellan brister och elektron-elektron-interaktioner i verkliga material, "sade Dr Chinedu Ekuma, ett nationellt forskningsråd (NRC) postdoktoral forskare i Dr. Gunlyckes grupp. "Datorsimuleringar aktiverade med vår metod förväntas avslöja ny kritisk insikt."
Den nya metoden för att simulera elektronlokalisering i verkliga material har tillämpats på enskikts hexagonal bornitrid, en stor luckaisolator, och förutspår att detta är ett material som kräver både brister och elektron-elektroninteraktioner för att genomgå en isolator-till-metall-övergång.
