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Aislador Mott

Los aislantes de Mott son una clase de materiales que se espera que conduzcan electricidad según las teorías de bandas convencionales , pero resultan ser aislantes (particularmente a bajas temperaturas). Estos aislantes no pueden describirse correctamente mediante las teorías de bandas de sólidos debido a sus fuertes interacciones electrón -electrón, que no se consideran en la teoría de bandas convencional. Una transición de Mott es una transición de un metal a un aislante, impulsada por las fuertes interacciones entre electrones. [1] Uno de los modelos más simples que puede capturar la transición de Mott es el modelo de Hubbard .

La banda prohibida en un aislante de Mott existe entre bandas de carácter similar, como las bandas de electrones 3D, mientras que la banda prohibida en los aislantes de transferencia de carga existe entre los estados de anión y catión.

Historia

Aunque la teoría de bandas de los sólidos había tenido mucho éxito en la descripción de varias propiedades eléctricas de los materiales, en 1937 Jan Hendrik de Boer y Evert Johannes Willem Verwey señalaron que una variedad de óxidos de metales de transición que la teoría de bandas predice que son conductores son aislantes. [2] Con un número impar de electrones por celda unitaria, la banda de valencia solo está parcialmente llena, por lo que el nivel de Fermi se encuentra dentro de la banda. De la teoría de bandas , esto implica que dicho material tiene que ser un metal. Esta conclusión falla en varios casos, por ejemplo, CoO , uno de los aislantes más fuertes conocidos. [1]

Nevill Mott y Rudolf Peierls también en 1937 predijeron que el fracaso de la teoría de bandas puede explicarse incluyendo interacciones entre electrones. [3]

En 1949, en particular, Mott propuso un modelo para el NiO como aislante, donde la conducción se basa en la fórmula [4]

(Ni 2+ O 2− ) 2 → Ni 3+ O 2− + Ni 1+ O 2− .

En esta situación, la formación de una brecha de energía que impide la conducción puede entenderse como la competencia entre el potencial de Coulomb U entre electrones 3 d y la integral de transferencia t de electrones 3 d entre átomos vecinos (la integral de transferencia es una parte de la aproximación de enlace fuerte ). La brecha de energía total es entonces

brecha E = U − 2 zt ,

donde z es el número de átomos vecinos más cercanos.

En general, los aislantes de Mott se producen cuando el potencial de Coulomb repulsivo U es lo suficientemente grande como para crear una brecha de energía. Una de las teorías más simples de los aislantes de Mott es el modelo de Hubbard de 1963. El cruce de un metal a un aislante de Mott a medida que U aumenta, se puede predecir dentro de la llamada teoría del campo medio dinámico .

Mott revisó el tema (con una buena visión general) en 1968. [5] El tema ha sido revisado a fondo en un artículo exhaustivo por Masatoshi Imada, Atsushi Fujimori y Yoshinori Tokura . [6] Una propuesta reciente de una "fase similar a Griffiths cercana a la transición de Mott" ha sido reportada en la literatura. [7]

Criterio de Mott

El criterio de Mott describe el punto crítico de la transición metal-aislante . El criterio es

donde es la densidad electrónica del material y el radio de Bohr efectivo. La constante , según diversas estimaciones, es 2,0, 2,78, 4,0 o 4,2.

Si se cumple el criterio (es decir, si la densidad de electrones es suficientemente alta), el material se vuelve conductor (metal) y, en caso contrario, será un aislante. [8]

Mottness

El mottismo denota el ingrediente adicional, además del ordenamiento antiferromagnético , que es necesario para describir completamente un aislante de Mott. En otras palabras, podríamos escribir: orden antiferromagnético + mottismo = aislante de Mott .

Por tanto, el mottismo explica todas las propiedades de los aislantes Mott que no pueden atribuirse simplemente al antiferromagnetismo.

Existen varias propiedades de los aislantes de Mott, derivadas tanto de observaciones experimentales como teóricas, que no pueden atribuirse al ordenamiento antiferromagnético y, por lo tanto, constituyen mottismo. Estas propiedades incluyen:

Transición de Mott

Una transición de Mott es una transición metal-aislante en materia condensada . Debido al apantallamiento del campo eléctrico, la energía potencial alcanza un pico mucho más pronunciado (exponencial) alrededor de la posición de equilibrio del átomo y los electrones se localizan y ya no pueden conducir una corriente. Recibe su nombre en honor al físico Nevill Francis Mott .

Explicación conceptual

En un semiconductor a bajas temperaturas, cada 'sitio' ( átomo o grupo de átomos) contiene una cierta cantidad de electrones y es eléctricamente neutro. Para que un electrón se aleje de un sitio, se requiere una cierta cantidad de energía, ya que el electrón normalmente es atraído hacia el sitio (ahora cargado positivamente) por las fuerzas de Coulomb . Si la temperatura es lo suficientemente alta como para que haya energía disponible por sitio, la distribución de Boltzmann predice que una fracción significativa de electrones tendrá suficiente energía para escapar de su sitio, dejando atrás un agujero de electrones y convirtiéndose en electrones de conducción que conducen corriente . El resultado es que a bajas temperaturas un material es aislante y a altas temperaturas el material conduce.

Mientras que la conducción en un semiconductor dopado de tipo n (p) se establece a altas temperaturas porque la banda de conducción (valencia) está parcialmente llena de electrones (huecos) y la estructura de banda original permanece inalterada, la situación es diferente en el caso de la transición de Mott, donde la estructura de banda en sí cambia. Mott argumentó que la transición debe ser repentina y ocurrir cuando la densidad de electrones libres N y el radio de Bohr satisfacen .

En términos simples, una transición de Mott es un cambio en el comportamiento de un material de aislante a metálico debido a varios factores. Se sabe que esta transición existe en varios sistemas: vapor-líquido de mercurio metálico, soluciones de NH3 metálico , calcogenuros de metales de transición y óxidos de metales de transición. [15] En el caso de los óxidos de metales de transición, el material típicamente pasa de ser un buen aislante eléctrico a un buen conductor eléctrico. La transición de aislante a metal también puede modificarse por cambios en la temperatura, la presión o la composición (dopaje). Como observó Nevill Francis Mott en su publicación de 1949 sobre el óxido de Ni, el origen de este comportamiento son las correlaciones entre los electrones y la estrecha relación que este fenómeno tiene con el magnetismo.

El origen físico de la transición de Mott es la interacción entre la repulsión de Coulomb de los electrones y su grado de localización (ancho de banda). Una vez que la densidad de portadores se vuelve demasiado alta (por ejemplo, debido al dopaje), la energía del sistema puede reducirse por la localización de los electrones que antes eran conductores (reducción del ancho de banda), lo que conduce a la formación de un intervalo de banda, por ejemplo, por presión (es decir, un semiconductor/aislante).

En un semiconductor, el nivel de dopaje también afecta la transición de Mott. Se ha observado que concentraciones más altas de dopante en un semiconductor crean tensiones internas que aumentan la energía libre (que actúa como un cambio en la presión) del sistema, [16] reduciendo así la energía de ionización.

La barrera reducida facilita la transferencia por efecto túnel o por emisión térmica desde el donante al donante adyacente. El efecto se potencia cuando se aplica presión por la razón antes mencionada. Cuando el transporte de portadores supera una energía de activación mínima , el semiconductor ha sufrido una transición de Mott y se ha vuelto metálico.

La transición de Mott es generalmente de primer orden e implica cambios discontinuos de propiedades físicas. Los estudios teóricos de la transición de Mott en el límite de gran dimensión encuentran una transición de primer orden. Sin embargo, en dimensiones bajas y cuando la geometría reticular conduce a la frustración del ordenamiento magnético, puede ser solo débilmente de primer orden o incluso continua (es decir, de segundo orden). Las transiciones de Mott de primer orden débil se ven en algunos materiales orgánicos cuasi bidimensionales. Se han informado transiciones de Mott continuas en materiales semiconductores de muaré. Está disponible una teoría de una transición de Mott continua si la fase aislante de Mott es un líquido de espín cuántico con una superficie de Fermi emergente de fermiones neutros.

Aplicaciones

Los aisladores Mott despiertan un interés creciente en la investigación de física avanzada y aún no se comprenden por completo. Tienen aplicaciones en heteroestructuras magnéticas de película delgada y en los fenómenos fuertemente correlacionados en la superconductividad de alta temperatura , por ejemplo. [17] [18] [19] [20]

Este tipo de aislante puede convertirse en un conductor modificando algunos parámetros, como la composición, la presión, la tensión, el campo magnético o la tensión. El efecto se conoce como transición de Mott y se puede utilizar para construir transistores de efecto de campo , interruptores y dispositivos de memoria más pequeños que los que se pueden construir con materiales convencionales. [21] [22] [23]

Véase también

Notas

  1. ^ ab Fazekas, Patrik (2008). Notas de clase sobre correlación electrónica y magnetismo. World Scientific. págs. 147-150. ISBN 978-981-02-2474-5.OCLC 633481726  .
  2. ^ de Boer, JH; Verwey, EJW (1937). "Semiconductores con bandas de red tridimensionales parcialmente y completamente rellenas". Actas de la Physical Society . 49 (4S): 59. Bibcode :1937PPS....49...59B. doi :10.1088/0959-5309/49/4S/307.
  3. ^ Mott, NF; Peierls, R. (1937). "Discusión del artículo de De Boer y Verwey". Actas de la Physical Society . 49 (4S): 72. Bibcode :1937PPS....49...72M. doi :10.1088/0959-5309/49/4S/308.
  4. ^ Mott, NF (1949). "La base de la teoría electrónica de los metales, con especial referencia a los metales de transición". Actas de la Physical Society . Serie A. 62 (7): 416–422. Bibcode :1949PPSA...62..416M. doi :10.1088/0370-1298/62/7/303.
  5. ^ MOTT, NF (1 de septiembre de 1968). "Transición metal-aislante". Reseñas de física moderna . 40 (4). Sociedad Estadounidense de Física (APS): 677–683. Bibcode :1968RvMP...40..677M. doi :10.1103/revmodphys.40.677. ISSN  0034-6861.
  6. ^ M. Imada; A. Fujimori; Y. Tojura (1998). "Transiciones metal-aislante". Rev. Mod. Phys . 70 (4): 1039. Bibcode :1998RvMP...70.1039I. doi :10.1103/RevModPhys.70.1039.
  7. ^ Mello, Isys F.; Squillante, Lucas; Gomes, Gabriel O.; Seridonio, Antonio C.; De Souza, Mariano (2020). "Fase similar a Griffiths cercana a la transición de Mott". Journal of Applied Physics . 128 (22): 225102. arXiv : 2003.11866 . Código Bibliográfico :2020JAP...128v5102M. doi :10.1063/5.0018604. S2CID  214667402.
  8. ^ Kittel, Charles (2005), Introducción a la física del estado sólido (8.ª ed.), John Wiley & Sons, págs. 407–409, ISBN 0-471-41526-X
  9. ^ Phillips, Philip (2006). "Mottness". Anales de Física . 321 (7). Elsevier BV: 1634–1650. arXiv : cond-mat/0702348 . Código Bibliográfico :2006AnPhy.321.1634P. doi :10.1016/j.aop.2006.04.003. ISSN  0003-4916.
  10. ^ Meinders, MBJ; Eskes, H.; Sawatzky, GA (1993-08-01). "Transferencia de peso espectral: Ruptura de las reglas de suma de escala de baja energía en sistemas correlacionados". Physical Review B . 48 (6). American Physical Society (APS): 3916–3926. Bibcode :1993PhRvB..48.3916M. doi :10.1103/physrevb.48.3916. ISSN  0163-1829. PMID  10008840.
  11. ^ Stanescu, Tudor D.; Phillips, Philip; Choy, Ting-Pong (6 de marzo de 2007). "Teoría de la superficie de Luttinger en aisladores Mott dopados". Physical Review B . 75 (10). American Physical Society (APS): 104503. arXiv : cond-mat/0602280 . Bibcode :2007PhRvB..75j4503S. doi :10.1103/physrevb.75.104503. ISSN  1098-0121. S2CID  119430461.
  12. ^ Leigh, Robert G.; Phillips, Philip; Choy, Ting-Pong (25 de julio de 2007). "Bosón 2e de carga oculta en aisladores Mott dopados". Physical Review Letters . 99 (4): 046404. arXiv : cond-mat/0612130v3 . Código Bibliográfico :2007PhRvL..99d6404L. doi :10.1103/physrevlett.99.046404. ISSN  0031-9007. PMID  17678382. S2CID  37595030.
  13. ^ Choy, Ting-Pong; Leigh, Robert G.; Phillips, Philip; Powell, Philip D. (17 de enero de 2008). "Integración exacta de la escala de alta energía en aisladores dopados de Mott". Physical Review B . 77 (1). American Physical Society (APS): 014512. arXiv : 0707.1554 . Bibcode :2008PhRvB..77a4512C. doi :10.1103/physrevb.77.014512. ISSN  1098-0121. S2CID  32553272.
  14. ^ Stanescu, Tudor D.; Phillips, Philip (2003-07-02). "El pseudogap en los aisladores Mott dopados es el análogo vecino cercano del Mott Gap". Physical Review Letters . 91 (1): 017002. arXiv : cond-mat/0209118 . Bibcode :2003PhRvL..91a7002S. doi :10.1103/physrevlett.91.017002. ISSN  0031-9007. PMID  12906566. S2CID  5993172.
  15. ^ Cyrot, M. (1972). "Teoría de la transición de Mott: aplicaciones a los óxidos de metales de transición". Journal de Physique . 33 (1). EDP Sciences: 125–134. CiteSeerX 10.1.1.463.1403 . doi :10.1051/jphys:01972003301012500. ISSN  0302-0738. 
  16. ^ Bose, DN; B. Seishu; G. Parthasarathy; ESR Gopal (1986). "Dependencia del dopaje de la transición semiconductor-metal en InP a altas presiones". Actas de la Royal Society A . 405 (1829): 345–353. Bibcode :1986RSPSA.405..345B. doi :10.1098/rspa.1986.0057. JSTOR  2397982. S2CID  136711168.
  17. ^ Kohsaka, Y.; Taylor, C.; Wahl, P.; et al. (28 de agosto de 2008). "Cómo desaparecen los pares de Cooper al acercarse al aislante de Mott en Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ ". Nature . 454 (7208): 1072–1078. arXiv : 0808.3816 . Bibcode :2008Natur.454.1072K. doi :10.1038/nature07243. PMID  18756248. S2CID  205214473.
  18. ^ Markiewicz, RS; Hasan, MZ; Bansil, A. (25 de marzo de 2008). "Plasmones acústicos y evolución del dopaje de la física de Mott en la dispersión inelástica resonante de rayos X de superconductores de cuprato". Physical Review B . 77 (9): 094518. Bibcode :2008PhRvB..77i4518M. doi :10.1103/PhysRevB.77.094518.
  19. ^ Hasan, MZ; Isaacs, ED; Shen, Z.-X.; Miller, LL; Tsutsui, K.; Tohyama, T.; Maekawa, S. (9 de junio de 2000). "Estructura electrónica de aisladores Mott estudiada por dispersión inelástica de rayos X". Science . 288 (5472): 1811–1814. arXiv : cond-mat/0102489 . Bibcode :2000Sci...288.1811H. doi :10.1126/science.288.5472.1811. ISSN  0036-8075. PMID  10846160. S2CID  2581764.
  20. ^ Hasan, MZ; Montano, PA; Isaacs, ED; Shen, Z.-X.; Eisaki, H.; Sinha, SK; Islam, Z.; Motoyama, N.; Uchida, S. (16 de abril de 2002). "Excitaciones de carga resueltas por momento en un aislador Mott unidimensional prototipo". Physical Review Letters . 88 (17): 177403. arXiv : cond-mat/0102485 . Código Bibliográfico :2002PhRvL..88q7403H. doi :10.1103/PhysRevLett.88.177403. PMID  12005784. S2CID  30809135.
  21. ^ Patente estadounidense 6121642, Newns, Dennis, "Transistor de efecto de campo de transición de unión-mott (JMTFET) e interruptor para aplicaciones de lógica y memoria", publicada en 2000 
  22. ^ Zhou, You; Ramanathan, Shriram (1 de enero de 2013). "Materiales electrónicos correlacionados y transistores de efecto de campo para lógica: una revisión". Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences . 38 (4): 286–317. arXiv : 1212.2684 . Bibcode :2013CRSSM..38..286Z. doi :10.1080/10408436.2012.719131. ISSN  1040-8436. S2CID  93921400.
  23. ^ Son, Junwoo; et al. (18 de octubre de 2011). "Un transistor Mott dopado con modulación de heterojunción". Applied Physics Letters . 110 (8): 084503–084503–4. arXiv : 1109.5299 . Código Bibliográfico :2011JAP...110h4503S. doi :10.1063/1.3651612. S2CID  27583830.

Referencias