Кіріспе

Жетекші және оқшаулағыш жүйелер арасындағы ауысуды сипаттауға қолданылатын шамамен алынған модель – Хаббард моделі. Бұл модель өткізгіш және оқшаулағыш жүйелер арасындағы ауысуды сипаттау үшін пайдаланылады, әсіресе қатты дене физикасында. Модель Джон Хаббардтың құрметіне аталған. Хаббард моделінде әрбір электрон қарама-қарсы күштерге тап болады: біреуі оны көршілес атомдарға өтуге итермелейді, ал екіншісі көршілерінен қашықтыққа жібереді. Хаббард моделі тығыз байланыс моделіне электрондар арасындағы қысқа қашықтықтағы өзара әрекеттесуді қосады, ол тек кинетикалық энергияны («секіру» термині) және тордың атомдарымен өзара әрекеттесуді («атомдық» потенциал) қамтиды. Электрондар арасындағы өзара әрекеттесу күшті болған кезде Хаббард моделінің мінез-құлқы тығыз байланыс моделінен сапалық жағынан өзгеше болуы мүмкін. Мысалы, Хаббард моделі Мотт оқшаулағыштарының болуын дұрыс болжайды: электрондар арасындағы күшті итергіш күштерге байланысты оқшаулағыш болатын материалдар, тіпті олар өткізгіштерге тән қалыпты критерийлерге сай болса да, мысалы, бірлік жасушасына жұп емес электрондар санына ие болса.

Тарих

Бұл модель алғаш рет 1963 жылы қатты денедегі электронды сипаттау үшін ұсынылған. Хаббард, Мартин Гутцвиллер және Джунжиро Канамори оны тәуелсіз түрде ұсынды. Одан бері ол жоғары температуралық суперөткізгіштік, кванттық магнетизм және зарядты тығыздық толқындары салаларын зерттеуде қолданылып келеді.

Тар энергетикалық жолақтар теориясы

Хаббард моделі қатты күй физикасынан алынған тығыз байланыс шамалауға негізделген, ол бөлшектердің периодтық потенциалда қозғалуын сипаттайды, бұл әдетте тор деп аталады. Шын материалдар үшін, әрбір тор орын иондық ядроға сәйкес келуі мүмкін, ал бөлшектер осы иондардың валентті электрондары болады. Тығыз байланыс шамалауда, Гамильтондық оператор Ванниер күйлері түрінде жазылады, олар әрбір тор орынға ортасталған локалданған күйлер болып табылады. Жақын орналасқан торлардың Ванниер күйлері байланыстырылған, бұл бір тордағы бөлшектердің екінші торға "секіруіне" мүмкіндік береді. Математикалық тұрғыдан алғанда, осы байланыстың күші жақын орналасқан орындар арасындағы "секіру интегралы" немесе "трансфер интегралы" арқылы беріледі. Жүйе тығыз байланыс шегінде деп есептеледі, егер секіру интегралдарының күші қашықтықпен бірге тез төмендесе. Бұл байланыс әрбір тор орынмен байланысты күйлердің гибридтелуіне мүмкіндік береді, ал мұндай кристалдық жүйенің өзіндік күйлері Блох функциялары болып табылады, энергия деңгейлері жекеленген энергия жолақтарына бөлінеді. Жолақтардың ені секіру интегралының мәніне байланысты. Хаббард моделі тордың әрбір орындағы қарама-қарсы спинді бөлшектер арасындағы контакттік өзара әрекеттесуді енгізеді. Хаббард моделі электрондық жүйелерді сипаттау үшін қолданылғанда, бұл өзара әрекеттесулер экрандалған Кулондық өзара әрекеттесуден туындайтын, теріс болуы күтіледі. Дегенмен, тартымды өзара әрекеттесулер де жиі қарастырылған. Хаббард моделінің физикасы жүйенің кинетикалық энергиясын сипаттайтын секіру интегралының күші мен өзара әрекеттесу мүшесінің күші арасындағы бәсекелестікпен анықталады. Сондықтан Хаббард моделі белгілі бір өзара әрекеттесетін жүйелерде металдан изоляторға өтуді түсіндіре алады. Мысалы, ол металл оксидтерін қыздырғандағы сипаттамаға қолданылады, онда жақын көрші арақашықтығының сәйкес өсуі секіру интегралын тор орындағы потенциал басым болатын деңгейге дейін азайтады. Сол сияқты, Хаббард моделі сирек кездесетін жер элементтерінің атомдық саны артқанда, сирек кездесетін жер пирохлорлары сияқты жүйелерде өткізгіштен оқшаулағышқа өтуді түсіндіре алады, себебі тор параметрі артады (немесе атомдар арасындағы бұрыш та өзгеруі мүмкін), сирек кездесетін жер элементінің атомдық саны артқан сайын, осылайша секіру интегралының тор орындағы теріс күшпен салыстырғандағы салыстырмалы маңыздылығын өзгертеді.

Мысал: бір өлшемді сутек атомы тізбегі

Сутек атомының s орбиталында бір электрон болады, ол спині жоғары немесе төмен болуы мүмкін. Бұл орбиталь ең көп дегенде екі электронды қабылдай алады, біреуі спині жоғары, екіншісі төмен (Паулидің тыйым салу принципін қараңыз). Жолақтық теория бойынша, сутек атомдарының 1D тізбегі үшін 1s орбиталы үздіксіз жолақ құрайды, ол жартылай толған болады. Сондықтан, 1D сутек атомдары тізбегінің дәстүрлі жолақтық теория бойынша өткізгіш болатыны күтіледі. Бұл 1D тізбегі – тікелей шешім табуға жеткілікті қарапайым конфигурация.

Сандық өңдеу

Хаббард моделінің кез келген өлшемде аналитикалық түрде шешілмегендігі, осы күшті байланысты электрондық жүйелер үшін сандық әдістерді қарқынды зерттеуге алып келді. Осы зерттеудің басты мақсаттарының бірі – модельдің төмен температурадағы фазалық диаграммасын анықтау, әсіресе екі өлшемде. Хаббард моделін шекті жүйелерде сандық түрде жуықтап есептеу әртүрлі әдістер арқылы мүмкін. Мұндай әдістердің бірі – Ланчос алгоритмі – жүйенің статикалық және динамикалық қасиеттерін шығаруға мүмкіндік береді. Бұл әдісті қолдана отырып, негізгі күйді есептеу үшін күйлер санына тең үш векторды сақтау қажет. Күйлер саны жүйенің мөлшеріне қарай экспоненциалды түрде өседі, бұл 21-ғасырлық аппараттық құралдардағы тордағы сайттар санын шамамен 20-ға дейін шектейді. Проектор және шекті температуралық қосымша Монте-Карло әдісімен жүйенің белгілі бір қасиеттерін алуға болатын екі статистикалық әдіс бар. Төмен температурада конвергенция мәселелері туындайды, олар «фермион белгісі мәселесі» деп аталады және температура төмендеген сайын есептеу күшінің экспоненциалды түрде өсуіне әкеледі. Хаббард моделін динамикалық орташа өріс теориясы (ДМӨТ) аясында зерттеуге болады. Бұл схема Хаббард Гамильтонианын бір сайттық қосымша модельге бейімдейді, бұл бейімдеу тек шексіз өлшемдерде формальды түрде ғана дәл болады, ал шекті өлшемдерде барлық таза жергілікті корреляцияларды дәл өңдеуге сәйкес келеді. ДМӨТ белгілі бір температура үшін Хаббард моделінің жергілікті Грин функциясын есептеуге мүмкіндік береді. ДМӨТ аясында спектрлік функцияның эволюциясын есептеуге болады және корреляциялардың артуымен жоғарғы және төменгі Хаббард жолақтарының пайда болуын байқауға болады.

Симулятор

Гетерогенді 2 өлшемді өтпелі металл дихалькогенидтерінен (TMD) құралған үймелер бірнеше өлшемде геометрияны модельдеу үшін қолданылды. Вольфрам диселениді және вольфрам сульфиді үйіліп қойылды. Бұл екі материалдың өзара қатынасымен анықталатын қайталама бірліктерден – алтыбұрышты суперклеткалардан тұратын моир суперторды құрады. Әрбір суперклетка дербес атом сияқты мінез-құлық танытады. Суперклеткалар арасындағы қашықтық олардың ішіндегі атомдардың арасындағы қашықтықтан шамамен 100 есе артық. Бұл үлкен қашықтық суперклеткалар арқылы электрондардың туннельдеуін күрт төмендетеді. Оларды Вигнер кристалдарын жасау үшін пайдалануға болады. Электр өрісін басқару үшін электродтарды қосуға болады. Электр өрісі әрбір суперклеткаға толатын электрондардың санын анықтайды. Суперклеткадағы электрондардың саны тордың қандай "атомды" модельдейтінін анықтайды. Бір электрон/клетка сутектей, екі электрон/клетка гелийдей әрекет етеді. 2022 жылға қарай сегіз электронға (оттегіге) дейінгі суперклеткаларды модельдеу мүмкін болды. Модельдеудің бір нәтижесі металл мен изолятор арасындағы айырмашылық электр өрісі күшінің үздіксіз функциясы екенін көрсетті. "Кері" үйілу режимі аномальды кванттық Холл эффектісі арқылы Черн изоляторын жасауға мүмкіндік береді (құрылғының жиектері өткізгіш ретінде, ал ішкі бөлігі изолятор ретінде әрекет етеді). Құрылғы 5 Кельвин температурада жұмыс істеді, бұл эффект алғаш рет байқалған температурадан әлдеқайда жоғары.