Введение
Материалы с электрическими свойствами, которые нельзя объяснить, исходя из невзаимодействующих частиц.
Сильно коррелированные материалы – это широкий класс соединений, включающий изоляторы и электронные материалы, демонстрирующие необычные (часто технологически полезные) электронные и магнитные свойства, такие как металл-диэлектрические переходы, поведение тяжелых фермионов, полуметаллическое состояние и разделение спина и заряда. Ключевой особенностью, определяющей эти материалы, является то, что поведение их электронов или спинонов нельзя эффективно описать в терминах невзаимодействующих частиц. Для точности теоретические модели электронной (фермионной) структуры сильно коррелированных материалов должны учитывать электронную (фермионную) корреляцию. В последнее время термин «квантовые материалы» также используется для обозначения, в том числе, сильно коррелированных материалов.
Оксиды переходных металлов
Многие оксиды переходных металлов относятся к этому классу, который можно подразделить в зависимости от их свойств, например, материалы с высокой Tc, спинтронные материалы, мультиферроики, изоляторы Мотта, материалы с эффектом спинового Пе́ерлса, материалы с тяжелыми фермионами, квазиодномерные материалы и т.д. Вероятно, наиболее интенсивно изучаемым эффектом является высокотемпературная сверхпроводимость в допированных купратах, например, La2−xSrxCuO4. Другие явления упорядочивания или магнитные явления, а также фазовые переходы, индуцированные температурой, во многих оксидах переходных металлов также объединяются под термином "сильно коррелированные материалы".
Электронные структуры
Как правило, сильно коррелирующие материалы имеют неполностью заполненные d или f электронные оболочки с узкими энергетическими зонами. Уже нельзя рассматривать какой-либо электрон в материале как находящийся в "море" усредненного движения остальных (также известного как теория среднего поля). Каждый отдельный электрон оказывает сложное влияние на своих соседей. Термин "сильная корреляция" относится к поведению электронов в твердых телах, которое плохо описывается (часто даже не качественно верно) простыми одноэлектронными теориями, такими как локальное приближение плотности (LDA) в рамках теории функционала плотности или теория Хартри-Фока. Например, кажущийся простым материал NiO имеет частично заполненную 3d зону (атом Ni содержит 8 из 10 возможных 3d электронов) и, следовательно, можно было бы ожидать, что он будет хорошим проводником. Однако сильное кулоновское отталкивание (эффект корреляции) между d-электронами делает NiO изолятором с широкой запрещенной зоной. Таким образом, сильно коррелирующие материалы обладают электронной структурой, которая не является ни просто подобной структуре свободных электронов, ни полностью ионной, а представляет собой смесь обоих типов.
Теории
Расширения теории функционала плотности (LDA+U, GGA, SIC, GW и т.д.), а также упрощенные модели гамильтонианов (например, модели типа Хаббарда) были предложены и разработаны для описания явлений, обусловленных сильной электронной корреляцией. Среди них динамическая теория среднего поля (DMFT) успешно воспроизводит основные характеристики коррелированных материалов. Методы, сочетающие LDA и DMFT, объясняют многие экспериментальные результаты в области коррелированных электронов.
Структурные исследования
Экспериментально для изучения электронной и магнитной структуры сильно коррелирующих материалов использовались оптическая спектроскопия, высокоэнергетические электронные спектроскопии, резонансная фотоэмиссия, а в последнее время – резонансное неупругое (жесткое и мягкое) рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) и нейтронная спектроскопия. Спектральные особенности, наблюдаемые с помощью этих методов и не объясняемые одноэлектронной плотностью состояний, часто связаны с эффектами сильной корреляции. Экспериментально полученные спектры можно сравнивать с предсказаниями различных моделей или использовать для определения ограничений на параметры этих моделей. Например, была разработана схема классификации оксидов переходных металлов, представленная в виде так называемой диаграммы Занена — Совацки — Аллена.
Приложения
Манипулирование и использование коррелированных явлений находит применение в таких областях, как сверхпроводящие магниты и технологии магнитной записи (CMR). Другие явления, такие как переход металл-изолятор в VO2, изучались в качестве способа создания "умных" окон для снижения энергозатрат на отопление и охлаждение помещений. Более того, переходы металл-изолятор в моттовских изоляторах, таких как LaTiO3, могут быть настроены путем изменения заполнения зон, что потенциально позволит использовать их для создания транзисторов, использующих стандартные конфигурации полевых транзисторов для использования резкого изменения проводимости материала. Транзисторы, использующие переходы металл-изолятор в моттовских изоляторах, часто называют моттовскими транзисторами, и ранее они были успешно изготовлены на основе VO2, однако для их работы требовались большие электрические поля, создаваемые ионными жидкостями в качестве диэлектрика затвора.