Metall-till-isolator-övergång - en process som förvandlar material från en ledare till en isolator - har varit en avgörande process bakom mikroelektroniska switchar, icke-flyktigt minne och neuromorfa datormaterial. I många fall åtföljs denna övergång av drastiska förändringar i materialets elektroniska eller strukturella symmetri, vilket kan medföra andra oavsiktliga egenskapsförändringar i materialet. Det är därför önskvärt att realisera en sådan övergång utan att bryta materialens symmetri.
Prof. Yu He ledde en studie, publicerad i Physical Review Research , vilket ger ett tydligare fokus på hur dessa övergångar kan ske utan att bryta någon symmetri i dessa material.
Han och medarbetare fann att stark koppling mellan elektroner och ett vibrerande atomgitter kan få en metall att bli en isolator utan att behöva störa det statiska gittermönstret. Fyndet avslöjar en ny väg till en övergång som tidigare endast ansågs inducerbar av starka elektron-elektron Coulomb-interaktioner.
"Metall-till-isolator-övergång har varit ett bestående tema i forskning om kondenserad materia eftersom det ofta innebär att elektronerna ändrar sina egna regler för organisation mellan två fundamentalt olika tillstånd", säger He, biträdande professor i tillämpad fysik. För att "lura" materialet till en sådan övergång utan att det uppstår några störningar i dess underliggande symmetri, är nyckeln här att utnyttja de massiva fluktuationerna i atompositionerna när materialet är nästan endimensionellt.
"För att uttrycka det på ren engelska måste materialet ha ett kedjeliknande kristallstrukturmotiv. Det var så vi hittade det nålliknande materialet Ta2 NiSe5 ."
Både elektron-elektron Coulomb-interaktion och elektron-gitter-koppling kan ge upphov till metall-till-isolator-övergångar i frånvaro av någon bruten symmetri. Men för att fastställa det dominerande bidraget, säger han, är det också avgörande att fastställa den effektiva interaktionen i varje sektor. "Kvantitativ bestämning av interaktionsparametrarna i Schrodingers ekvation av verkliga material har varit en mycket svår uppgift."
För sitt ämne satte han och hans forskargrupp igång en samordnad attack från både experimentella och teoretiska sidor. Genom att kombinera in situ vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi och röntgendiffraktion gav forskarna en direkt mikroskopisk bild av materialets elektroniska och atomära beteende.
Integrerat med avancerade modellberäkningar i samarbete med Prof. Yao Wang och hans team vid Emory University, kunde forskarna direkt generera en effektiv "digital representation" av materialet som fångar nästan alla dess okonventionella fysiska egenskaper, inklusive symmetribevarande metall-till-isolator-övergång, inducerad av elektronkoppling till massiva gitterfluktuationer.
I de flesta bulkmaterial är atomerna så tunga och tröga att när de vibrerar kan elektronerna – med mindre än 1/1000 av atommassan – nästan alltid omedelbart följa efter. Detta är den så kallade Born-Oppenheimer approximationen ("Ja, Oppenheimer," säger han).
"Men när materialen är kvasi-endimensionella, fluktuerar atomgittret ofta våldsamt, och ibland kan elektronerna inte längre hänga med i varje vridning och vändning som atomerna gör," sa han. "Då kastar de händerna i luften och säger "OK, jag slutar." Det är då du får en isolator Men atomerna har ännu inte bryta någon symmetri - de svänger bara runt sin ursprungliga, statiska position."
Han noterar att med den snabba utvecklingen av avancerad spektroskopi och moderna beräkningsmetoder, avslöjar detta arbete inte bara lågdimensionella fluktuationer som en i stort sett outnyttjad källa för att konstruera nya egenskaper i kvantmaterial. Det erbjuder också en mer allmän ram för att "sekvensera materialgenomet" genom att direkt mäta styrkorna i mikroskopiska interaktioner i minimala kvantmodeller för många kroppar av dessa material.
"När vi väl har deras kvant-DNA i handen kommer dessa komplexa material att vara mycket mer tämbara för förutsägande materialteknik," sa han.
Mer information: Cheng Chen et al, Rollen av elektron-fononkoppling i excitonisk isolatorkandidat Ta2 NiSe5 , Fysisk granskning (2023). DOI:10.1103/PhysRevResearch.5.043089
Journalinformation: Fysisk granskning
Tillhandahålls av Yale University
