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对电荷传输的新认识揭示了一种奇异的量子力学机制

在可能对电子新材料的开发产生广泛影响的工作中,加州理工学院的科学家们首次开发了一种预测与原子运动强烈相互作用的电子将如何流经复杂材料的方法。为此,他们仅依靠量子力学的原理,并开发了一种精确的新计算方法。

博士后研究人员周金健和应用物理与材料科学助理教授马克·伯纳迪对钛酸锶材料进行了研究,结果表明,标准模型无法解释室温附近的电荷传输。实际上,它违反了普朗克极限,这是一个量子速度极限,它限制了电子在给定温度下流过材料时能以多快的速度耗散能量。

他们的工作于12月2日发表在《物理评论研究》杂志上。

电荷传输的标准图景很简单:流过固体材料的电子不会不受阻碍地运动,而是可以通过构成材料晶格的原子的热振动而被击中。随着材料温度的变化,振动量以及该振动对电荷传输的影响也随之变化。

可以将单个振动视为称为声子的准粒子,它们是材料中的激励,其行为像单个粒子一样,像物体一样在周围移动和反弹。声子的行为就像海洋中的波浪,而电子就像在波浪中摇曳的小船在那片海洋中航行。在某些材料中,电子与声子之间的强相互作用反过来产生了一种称为极化子的新准粒子。

伯纳迪说:“所谓的极化子机制,其中电子与原子运动强烈相互作用,对于电荷传输的第一原理计算已经超出了范围,因为它需要超越简单的微扰方法来处理强电子-声子相互作用。” 。“使用一种新方法,我们已经能够预测钛酸锶中极化子的形成和动力学。这一进展至关重要,因为许多对未来电子和能源应用感兴趣的半导体和氧化物都表现出极化子效应。”

钛酸锶是一种复杂的材料,因为在不同的温度下,其原子结构会发生巨大变化,晶格会从一种形状转变为另一种形状,从而使电子必须通过的声子发生位移。去年,Zhou和Bernardi在《Physical Review Letters》论文中表明,他们可以描述与这些结构相变相关的声子,并将其包括在计算工作流程中,以准确预测钛酸锶中电子迁移率的温度依赖性。

现在,他们开发了一种新方法,可以描述钛酸锶中电子与声子之间的强相互作用。这使他们能够解释极化子的形成,并准确预测电子迁移率的绝对值和温度依赖性,这是材料中的关键电荷传输特性。

通过这样做,他们发现了钛酸锶的一个奇特特征:室温附近的电荷传输无法用材料中原子振动引起的电子散射的简单标准图来解释。相反,传输发生在微妙的量子力学机制中,在该机制中,电子集体而不是单独携带电,这使它们违反了电荷传输的理论极限。

“在钛酸锶中,由于电子与声子的散射而产生的通常的电荷传输机制已在过去的半个世纪中被广泛接受。但是,从我们的研究中得出的图则要复杂得多,”周说。“在室温下,似乎每个电子的大约一半通过常规的声子散射机制促进了电荷的传输,而另一半电子则促进了尚未完全理解的整体传输形式。”

除了代表对电荷传输的理解有了根本性的进步外,Zhou和Bernardi的新方法还可以应用于许多半导体以及氧化物和钙钛矿等材料,以及展现极化子效应的新型量子材料。除了电荷传输外,Zhou和Bernardi还计划研究具有非常规热电(由热产生电)和超导性(无电阻的电流)的材料。在这些材料中,现有的计算尚未能够考虑极化子效应。

该论文的标题为“预测在极化子存在下的电荷传输:SrTiO 3中的超准粒子态”。

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