Scoperto un nuovo ed esotico regime quantistico della materia

Scoperto un nuovo ed esotico regime quantistico della materia
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Gli scienziati del Caltech hanno sviluppato un nuovo metodo per predire come interagiscono gli elettroni con il moto degli atomi, mentre attraversano un materiale. Per fare questo si sono basati sui principi della meccanica quantistica e hanno sviluppato un nuovo metodo computazionale, per le simulazioni.

Il ricercatore Jin-Jian Zhou e Marco Bernardi, professore associato; hanno mostrato come il trasporto a temperatura ambiente delle cariche non può essere spiegato dai modelli standard. Infatti supera il limite di Planck, un limite alla velocità con cui gli elettroni possono dissipare la loro energia, mentre attraversano un materiale a una data temperatura.

Il modello interpretativo del trasporto di cariche è molto semplice: il movimento degli elettroni in un materiale solido non è senza impedimenti, ma possono essere mossi dalle vibrazioni termiche degli atomi. L'ampiezza delle vibrazioni aumenta con la temperatura e il risultato è una vibrazione nel trasporto delle cariche.

Le singole vibrazioni possono essere interpretate come delle quasiparticelle chiamate Fononi, che si comportano come degli stati eccitati di particelle. In alcuni materiali la forte interazione tra elettroni e fononi crea una nuova particella chiamata Polarone. Questo ricerche sono all'avanguardia nello sviluppo di tecnologie per eventuali applicazioni su semiconduttori e altri dispositivi elettronici; il trasporto di cariche è servito per sviluppare metodi quantistici per il raffreddamento di componenti informatici.

"Il così detto regime di polarone, nel quale gli elettroni interagiscono fortemente con il moto atomico, è emerso nei calcoli per il trasporto di carica perché richiede di andare oltre il semplice approccio perturbativo," dice Bernardi. "Utilizzando un nuovo metodo, siamo riusciti a predire la formazione e la dinamica dei polaroni. Questo vantaggio è cruciale dato che molti semiconduttori e ossidi di interesse per l'elettronica hanno questo effetto".

I ricercatori hanno studiato in particolare il Titanato di Stronzio, un materiale complesso perché la sua struttura cambia drasticamente con il variare della temperatura, e questo cambia i fononi che gli elettroni devono utilizzare per muoversi. Lo scorso anno, Zhou e Bernardi, hanno mostrato come possano descrivere i fononi associati a queste transizioni di fase ed includerli nelle loro simulazioni, per predire la dipendenza dalla temperatura della mobilità degli elettroni.

Il loro nuovo algoritmo è in grado di spiegare la formazione dei polaroni e predire il loro valore e la dipendenza dalla temperatura della mobilità elettronica. Nel fare questo hanno scoperto una caratteristica esotica del Titanato di Stronzio: il trasporto di cariche a temperatura ambiente non può essere spiegato con il modello standard. Il trasporto avviene in un regime quantistico in cui gli elettroni si muovono collettivamente, permettendogli di violare il limite di Planck e altri limiti teorici al trasporto di cariche.

"A temperatura ambiente, soltanto metà degli elettroni contribuisce al trasporto della carica con il meccanismo usuale, mentre l'altra metà contribuisce a una forma collettiva di trasporto che non è stata compresa completamente."

Il nuovo metodo sviluppato da Zhou e Bernardi può essere applicato a molti semiconduttori, ossidi e ai nuovi materiali che esibiscono l'effetto dei polaroni. Oltre al trasporto, Zhou e Bernardi pianificano di investigare materiali con effetti termoelettrici strani e superconduttività; lo scopo è di sviluppare materiali nuovi e all'avanguardia per l'elettronica, come la recente scoperta di un metallo che conduce elettricità senza trasporto di calore.