Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрлік қасиеттері өзара әрекеттеспейтін құрылымдармен түсіндірілмейтін материалдар.
Materials with electrical properties that cannot be explained by non interacting entities
Қатты түрде өзара байланысқан материалдар – оқшаулағыштар мен электрондық материалдарды қамтитын, кең таралған қосылыстар класы. Олар металл-оқшаулағыш өтуі, ауыр фермиондық мінез-құлық, жартылай металдық қасиет және спин-зарядтың бөлінуі сияқты ерекше (көбінесе технологиялық тұрғыдан пайдалы) электрондық және магниттік қасиеттерді көрсетеді. Бұл материалдарды ерекшелейтін маңызды ерекшелік – олардың электрондарының немесе спинондарының мінез-құлқы өзара әрекеттеспейтін бөлшектер арқылы тиімді сипаттала алмайды. Қатты корреляцияланған материалдардың электрондық (фермиондық) құрылымын модельдеу үшін электрондық (фермиондық) корреляцияны ескеру қажет. Соңғы кезде "кванттық материалдар" термині де, басқалармен қатар, осы өзара байланысқан материалдарды атау үшін қолданылады.
Strongly correlated materials are a wide class of compounds that include insulators and electronic materials, and show unusual (often technologically useful) electronic and magnetic properties, such as metal insulator transitions, heavy fermion behavior, half metallicity, and spin charge separation. The essential feature that defines these materials is that the behavior of their electrons or spinons cannot be described effectively in terms of non interacting entities. Theoretical models of the electronic (fermionic) structure of strongly correlated materials must include electronic (fermionic) correlation to be accurate. As of recently, the label quantum materials is also used to refer to strongly correlated materials, among others.
Өткінші металл оксидтері
Көптеген өтпелі металл оксидтері осы сыныпқа жатады, оларды қасиеттеріне қарай топтастыруға болады, мысалы, жоғары Tc, спинтроникалық материалдар, мультиферроиттер, Mott изоляторлары, спин Пеierls материалдары, ауыр фермионды материалдар, квази-төмен өлшемді материалдар және т.б. Ең көп зерттелген құбылыс, әдетте, допингтелген купраттардағы жоғары температуралық суперөткізгіштік, мысалы, La2−xSrxCuO4. Көптеген өтпелі металл оксидтеріндегі басқа да реттелген немесе магниттік құбылыстар мен температураға байланысты фазалық өтулер де "күшті байланысты материалдар" деген атаумен біріктіріледі.
Many transition metal oxides belong to this class which may be subdivided according to their behavior, e. g. high Tc, spintronic materials, multiferroics, Mott insulators, spin Peierls materials, heavy fermion materials, quasi low dimensional materials, etc. The single most intensively studied effect is probably high temperature superconductivity in doped cuprates, e. g. La2−xSrxCuO4. Other ordering or magnetic phenomena and temperature induced phase transitions in many transition metal oxides are also gathered under the term "strongly correlated materials."
Электрондық құрылымдар
Әдетте, күшті байланысты материалдар тар энергетикалық жолақтармен d немесе f электрондық қабықтарын толық толтырмайды. Материалдағы кез келген электронды басқаларының орташа қозғалысының "теңізінде" (орташа өріс теориясы деп те аталады) қарастыру мүмкін болмайды. Әрбір жеке электрон көршілеріне күрделі әсер етеді. "Күшті корреляция" термині қатты денедегі электрондардың мінез-құлқына қатысты, ол тығыздық функционалдық теориясының жергілікті тығыздық жуықтауы (LDA) немесе Хартри-Фок теориясы сияқты қарапайым бір электрондық теориялармен жақсы сипатталмайды (көбінесе тіпті сапалық тұрғыдан дұрыс емес). Мысалы, сырттай қарағанда қарапайым NiO материалының ішінара толтырылған 3d жолағы бар (Ni атомының 10 мүмкін 3d электронының 8-і бар) және сондықтан жақсы өткізгіш болуы күтіледі. Дегенмен, d электрондары арасындағы күшті Кулон итеркілеуі (корреляциялық эффект) NiO-ны кең жолақты изолятор етеді. Осылайша, күшті байланысты материалдар электрондық құрылымдары еркін электрон сияқты немесе толық иондық емес, олардың қоспасынан тұрады.
Typically, strongly correlated materials have incompletely filled d or f electron shells with narrow energy bands. One can no longer consider any electron in the material as being in a "sea" of the averaged motion of the others (also known as mean field theory). Each single electron has a complex influence on its neighbors. The term strong correlation refers to behavior of electrons in solids that is not well described (often not even in a qualitatively correct manner) by simple one electron theories such as the local density approximation (LDA) of density functional theory or Hartree–Fock theory. For instance, the seemingly simple material NiO has a partially filled 3d band (the Ni atom has 8 of 10 possible 3d electrons) and therefore would be expected to be a good conductor. However, strong Coulomb repulsion (a correlation effect) between d electrons makes NiO instead a wide band gap insulator. Thus, strongly correlated materials have electronic structures that are neither simply free electron like nor completely ionic, but a mixture of both.
Теориялар
LDA кеңейтулері (LDA+U, GGA, SIC, GW және т.б.) және күшті электрондық өзара әрекеттесуден туындайтын құбылыстарды сипаттау мақсатында жеңілдетілген модельдердің гамильтондары (мысалы, Хаббард сияқты модельдер) ұсынылып, дамытылды. Олардың ішінде динамикалық орташа өріс теориясы (ДМӨТ) өзара байланысты материалдардың негізгі ерекшеліктерін сәтті бейнелейді. LDA және ДМӨТ-ті біріктіретін схемалар корреляциялық электрондар саласындағы көптеген тәжірибелік нәтижелерді түсіндіруге мүмкіндік береді.
Extensions to the LDA (LDA+U, GGA, SIC, GW, etc.) as well as simplified models Hamiltonians (e. g. Hubbard like models) have been proposed and developed in order to describe phenomena that are due to strong electron correlation. Among them, dynamical mean field theory (DMFT) successfully captures the main features of correlated materials. Schemes that use both LDA and DMFT explain many experimental results in the field of correlated electrons.
Құрылымдық зерттеулер
Эксперименттік тұрғыдан, оптикалық спектроскопия, жоғары энергиялы электрондық спектроскопия, резонанстық фотоэмиссия, сондай-ақ жақында резонанстық инеластикалық (қатты және жұмсақ) рентгендік сәулелерді шашырату (RIXS) және нейтрондық спектроскопия күшті байланыстағы материалдардың электрондық және магниттік құрылымын зерттеу үшін қолданылған. Бұл техникалармен байқалатын, бір электронды күй тығыздығымен түсіндірілмейтін спектральдік белгілер көбінесе күшті корреляциялық эффектілермен байланысты. Эксперименттік жолмен алынған спектрлерді белгілі бір модельдердің болжамдарымен салыстыруға болады немесе параметрлер жиынтығына шектеулер қою үшін пайдалануға болады. Мысалы, Zaanen–Sawatzky–Allen диаграммасы деп аталатын ауыспалы металл оксидтерінің жіктеу схемасы құрылды.
Experimentally, optical spectroscopy, high energy electron spectroscopies, resonant photoemission, and more recently resonant inelastic (hard and soft) X ray scattering (RIXS) and neutron spectroscopy have been used to study the electronic and magnetic structure of strongly correlated materials. Spectral signatures seen by these techniques that are not explained by one electron density of states are often related to strong correlation effects. The experimentally obtained spectra can be compared to predictions of certain models or may be used to establish constraints to the parameter sets. One has for instance established a classification scheme of transition metal oxides within the so called Zaanen–Sawatzky–Allen diagram.
Қолданбалар
Байланысты құбылыстарды манипуляциялау және пайдалану суперөткізгіш магниттер және магниттік жад (CMR) технологиялары сияқты қолданыстарға ие. VO2 металл-оқшаулағыш өтуі сияқты басқа құбылыстар бөлменің жылыту/салқындату қажеттіліктерін азайту үшін «ақылды терезелер» жасау құралы ретінде зерттелді. Бұдан әрі, LaTiO3 сияқты Мотт оқшаулағыш материалдарындағы металл-оқшаулағыш өтулер жолақты толтыруды реттеу арқылы өзгертілуі мүмкін, бұл материалдың өткізгіштігінің күрт өзгеруін пайдалану үшін дәстүрлі өрістік эффектті транзистор конфигурацияларын қолданатын транзисторларды жасауға мүмкіндік береді. Мотт оқшаулағыштарында металл-оқшаулағыш өтулерін пайдаланатын транзисторлар көбінесе «Мотт транзисторлары» деп аталады және бұрын VO2 қолданып сәтті жасалған, бірақ олардың жұмыс істеуі үшін қақпалық материал ретінде иондық сұйықтықтардың тудырған үлкен электр өрістері қажет болды.
The manipulation and use of correlated phenomena has applications like superconducting magnets and in magnetic storage (CMR) technologies. Other phenomena like the metal insulator transition in VO2 have been explored as a means to make smart windows to reduce the heating/cooling requirements of a room. Furthermore, metal insulator transitions in Mott insulating materials like LaTiO3 can be tuned through adjustments in band filling to potentially be used to make transistors that would use conventional field effect transistor configurations to take advantage of the material's sharp change in conductivity. Transistors using metal insulator transitions in Mott insulators are often referred to as Mott transistors, and have been successfully fabricated using VO2 before, but they have required the larger electric fields induced by ionic liquids as a gate material to operate.