Los materiales fuertemente correlacionados son una amplia clase de compuestos que incluyen aislantes y materiales electrónicos, y muestran propiedades electrónicas y magnéticas inusuales (a menudo tecnológicamente útiles) , como transiciones metal-aislante , comportamiento de fermiones pesados , semimetalicidad y separación de espín-carga . La característica esencial que define a estos materiales es que el comportamiento de sus electrones o espinones no se puede describir de manera efectiva en términos de entidades no interactuantes. [1] Los modelos teóricos de la estructura electrónica ( fermiónica ) de materiales fuertemente correlacionados deben incluir la correlación electrónica ( fermiónica ) para ser precisos. Desde hace poco, la etiqueta materiales cuánticos también se utiliza para referirse a materiales fuertemente correlacionados, entre otros.
Muchos óxidos de metales de transición pertenecen a esta clase [2] que se puede subdividir según su comportamiento, p. ej. , materiales de alta Tc , espintrónicos , multiferroicos , aislantes de Mott , materiales de espín Peierls, materiales de fermiones pesados , materiales de dimensión cuasi baja, etc. El efecto individual estudiado más intensamente es probablemente la superconductividad de alta temperatura en cupratos dopados , p. ej., La 2−x Sr x CuO 4 . Otros fenómenos de ordenamiento o magnéticos y transiciones de fase inducidas por la temperatura en muchos óxidos de metales de transición también se agrupan bajo el término "materiales fuertemente correlacionados".
Por lo general, los materiales fuertemente correlacionados tienen capas de electrones d o f incompletamente llenas con bandas de energía estrechas. Ya no se puede considerar que ningún electrón del material se encuentre en un " mar " del movimiento promedio de los demás (también conocido como teoría del campo medio ). Cada electrón individual tiene una influencia compleja sobre sus vecinos.
El término correlación fuerte se refiere al comportamiento de los electrones en sólidos que no está bien descrito (a menudo ni siquiera de una manera cualitativamente correcta) por teorías simples de un electrón como la aproximación de densidad local (LDA) de la teoría funcional de la densidad o la teoría de Hartree-Fock . Por ejemplo, el aparentemente simple material NiO tiene una banda 3 d parcialmente llena (el átomo de Ni tiene 8 de 10 posibles electrones 3 d ) y, por lo tanto, se esperaría que fuera un buen conductor. Sin embargo, la fuerte repulsión de Coulomb (un efecto de correlación) entre electrones d hace que NiO sea un aislante de banda ancha . Por lo tanto, los materiales fuertemente correlacionados tienen estructuras electrónicas que no son simplemente similares a las de los electrones libres ni completamente iónicas, sino una mezcla de ambas.
Se han propuesto y desarrollado extensiones de la LDA (LDA+U, GGA, SIC, GW , etc.) así como modelos simplificados hamiltonianos (por ejemplo, modelos tipo Hubbard ) para describir fenómenos que se deben a una fuerte correlación electrónica. Entre ellos, la teoría del campo medio dinámico (DMFT) captura con éxito las características principales de los materiales correlacionados. Los esquemas que utilizan tanto la LDA como la DMFT explican muchos resultados experimentales en el campo de los electrones correlacionados.
Experimentalmente, la espectroscopia óptica, las espectroscopias electrónicas de alta energía , la fotoemisión resonante y, más recientemente, la dispersión inelástica resonante de rayos X (duros y blandos) ( RIXS ) y la espectroscopia de neutrones se han utilizado para estudiar la estructura electrónica y magnética de materiales fuertemente correlacionados. Las firmas espectrales observadas por estas técnicas que no se explican por la densidad de estados de un electrón a menudo están relacionadas con fuertes efectos de correlación. Los espectros obtenidos experimentalmente se pueden comparar con las predicciones de ciertos modelos o se pueden utilizar para establecer restricciones en los conjuntos de parámetros. Por ejemplo, se ha establecido un esquema de clasificación de óxidos de metales de transición dentro del llamado diagrama de Zaanen–Sawatzky–Allen . [3]
La manipulación y el uso de fenómenos correlacionados tiene aplicaciones como imanes superconductores y en tecnologías de almacenamiento magnético (CMR) [ cita requerida ] . Otros fenómenos como la transición metal-aislante en VO 2 se han explorado como un medio para hacer ventanas inteligentes para reducir los requisitos de calefacción/refrigeración de una habitación. [4] Además, las transiciones metal-aislante en materiales aislantes Mott como LaTiO 3 se pueden ajustar a través de ajustes en el relleno de banda para usarse potencialmente para hacer transistores que usarían configuraciones de transistores de efecto de campo convencionales para aprovechar el cambio brusco de conductividad del material. [5] Los transistores que utilizan transiciones metal-aislante en aisladores Mott a menudo se denominan transistores Mott, y se han fabricado con éxito utilizando VO 2 anteriormente, pero han requerido los campos eléctricos más grandes inducidos por líquidos iónicos como material de compuerta para funcionar. [6]
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