I arbete som kan ha breda konsekvenser för utvecklingen av nya material för elektronik, Caltech -forskare har för första gången utvecklat ett sätt att förutsäga hur elektroner som interagerar starkt med atomrörelser kommer att flöda genom ett komplext material. Att göra så, de förlitade sig bara på principer från kvantmekanik och utvecklade en exakt ny beräkningsmetod.

Studerar ett material som kallas strontiumtitanat, postdoktor Jin-Jian Zhou och Marco Bernardi, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap, visade att laddtransport nära rumstemperatur inte kan förklaras av standardmodeller. Faktiskt, det bryter mot Planckian -gränsen, en kvanthastighetsgräns för hur snabbt elektroner kan sprida energi medan de flyter genom ett material vid en given temperatur.

Deras arbete publicerades i tidningen Fysisk granskningsforskning den 2 december.

Standardbilden av laddningstransport är enkel:elektroner som flödar genom ett fast material rör sig inte utan hinder utan kan istället slås ur kurs av de termiska vibrationerna i atomer som utgör materialets kristallina gitter. När temperaturen på ett material ändras, så även mängden vibrationer och den resulterande effekten av denna vibration på laddtransport.

Individuella vibrationer kan ses som kvasipartiklar som kallas fononer, som är excitationer i material som beter sig som enskilda partiklar, rör sig och studsar som ett föremål. Fononer beter sig som vågorna i havet, medan elektroner är som en båt som seglar över havet, skakade av vågorna. I vissa material, den starka interaktionen mellan elektroner och fononer skapar i sin tur en ny kvasipartikel som kallas en polaron.

"Den så kallade polaronregimen, där elektroner interagerar starkt med atomrörelser, har varit utom räckhåll för första principberäkningar av laddtransporter eftersom det kräver att gå utöver enkla störande metoder för att behandla den starka elektron-fonon-interaktionen, "säger Bernardi." Med en ny metod, vi har kunnat förutsäga både bildandet och dynamiken hos polaroner i strontiumtitanat. Detta framsteg är avgörande eftersom många halvledare och oxider av intresse för framtida elektronik- och energitillämpningar uppvisar polaroneffekter. "

Strontiumtitanat är känt som ett komplext material eftersom atomstrukturen vid olika temperaturer förändras dramatiskt, med kristallgitteret som skiftar från en form till en annan, som i sin tur skiftar de fononer som elektroner måste navigera. Förra året, Zhou och Bernardi visade i en Fysiska granskningsbrev papper att de kan beskriva de fononer som är associerade med dessa strukturella fasövergångar och inkludera dem i deras beräkningsarbetsflöde för att exakt förutse temperaturberoendet för elektronrörligheten i strontiumtitanat.

Nu, de har utvecklat en ny metod som kan beskriva de starka interaktionerna mellan elektronerna och fononerna i strontiumtitanat. Detta gör det möjligt för dem att förklara bildandet av polaroner och exakt förutsäga både det absoluta värdet och temperaturberoendet för elektronrörligheten, en nyckeltransportfastighet i material.

Genom att göra så, de avslöjade en exotisk egenskap hos strontiumtitanat:laddningstransport nära rumstemperatur kan inte förklaras med den enkla standardbilden av elektroner som sprids med atomvibrationer i materialet. Snarare, transport sker i en subtil kvantmekanisk regim där elektronerna bär elektricitet kollektivt snarare än individuellt, tillåta dem att bryta mot den teoretiska gränsen för laddtransport.

"I strontiumtitanat, den vanliga mekanismen för laddningstransport på grund av elektroner som sprids med fononer har varit allmänt accepterad under det senaste halvseklet. Dock, bilden som framgår av vår studie är mycket mer komplicerad, "säger Zhou." Vid rumstemperatur, det är som om ungefär hälften av varje elektron bidrar till laddningstransport genom den vanliga fononspridningsmekanismen, medan den andra halvan av elektronen bidrar till en kollektiv transportform som ännu inte är helt klarlagd. "

Förutom att representera ett grundläggande framsteg i förståelsen av laddtransporter, den nya metoden av Zhou och Bernardi kan tillämpas på många halvledare såväl som på material som oxider och perovskiter, och till nya kvantmaterial som uppvisar polaroneffekter. Förutom laddtransport, Zhou och Bernardi planerar att undersöka material med okonventionell termoelektricitet (elproduktion från värme) och supraledning (elektrisk ström utan motstånd). I dessa material, befintliga beräkningar har ännu inte kunnat ta hänsyn till polaroneffekter.

Tidningen har titeln "Predicting charge transport in the presence of polarons:The beyond-quasiparticle regime in SrTiO ₃ . "