Distribution (Ρ) de la densité de probabilité électronique (ρ) pour les états localisés et délocalisés. Cette distribution est approximativement normale pour les états délocalisés avec une densité de probabilité attendue significative qui permet aux électrons de traverser le matériau. La distribution des états localisés est approximativement log-normale, en raison de la faible densité de probabilité entre les sites de localisation. Cette dernière faible densité est caractéristique d'un isolant. Crédit :Laboratoire de recherche naval des États-Unis
Des scientifiques du Laboratoire de recherche naval des États-Unis (NRL), en collaboration avec la Florida State University, ont développé une méthode pour simuler la localisation des électrons dans des matériaux réels, y compris les imperfections et les interactions électron-électron.
La localisation des électrons est la tendance des électrons à se confiner ou à se regrouper dans de petites régions d'un matériau, tout comme les humains ont tendance à se regrouper dans les villes du pays. Le clustering peut être causé par des facteurs locaux tels que des imperfections matérielles, ou comme dans le cas de la Terre, la présence de ressources naturelles, deltas fluviaux, ou d'autres caractéristiques géographiques attrayantes.
Une autre cause de regroupement est les interactions électron-électron des forces coulombiennes répulsives, la forte force électrostatique subie par les particules chargées. Il existe un phénomène similaire parmi diverses populations humaines, lorsque l'aversion ou le doute qui existe entre les communautés dépasse le bénéfice mutuel de travailler ensemble et d'échanger des ressources. Tout comme la migration humaine affecte la société, la localisation des électrons affecte les propriétés des matériaux telles que l'absorption optique et la conductivité électronique.
En mécanique classique, les emplacements des humains, voitures, etc., peut être suivi, du moins en principe. Un tel suivi n'est pas possible en mécanique quantique, où les emplacements des particules sont plutôt donnés en termes de densités de probabilité. La décroissance de la densité de probabilité des électrons à l'intérieur d'un solide est une mesure de la localisation des électrons.
« Dans les métaux, les états électroniques sont délocalisés, permettant aux électrons de se déplacer d'un site à l'autre à travers le matériau, " a déclaré le Dr Daniel Gunlycke, chef de la section de chimie théorique du LNR. "Imperfections et interactions électron-électron, cependant, peut localiser les états électroniques, transformer un métal en isolant. Il nous fournit un mécanisme pour contrôler les propriétés électroniques et concevoir des fonctionnalités améliorées dans les matériaux existants et nouveaux pour une utilisation dans des applications allant de l'optoélectronique à l'échelle nanométrique à la prévention de la corrosion à grande échelle. »
Selon Gunlycke, il existe une longue histoire de recherche théorique sur la localisation des électrons forts.
Transition isolant-métal dans du nitrure de bore hexagonal monocouche. La transition nécessite à la fois des imperfections (δ) et des interactions électron-électron (υ). Crédit :Laboratoire de recherche naval des États-Unis
"La majorité de ce travail se concentre sur la localisation induite soit par des imperfections soit par des interactions électron-électron. Ces cas limites ont été prédits par Philip Anderson et Nevill Francis Mott, maintenant connu sous le nom de localisation Anderson et Mott, respectivement, " a déclaré Gunlycke. " Cependant, on sait aussi que les imperfections et les interactions électron-électron peuvent toutes deux être considérables dans les matériaux réels, en particulier dans les matériaux de faible dimension où la polarisation électronique est généralement moins efficace pour réduire les interactions de Coulomb électron-électron à longue distance. »
Parallèlement à l'expérimentation et à la théorie, les simulations informatiques sont essentielles pour développer une compréhension de nombreuses propriétés physiques dans de vrais solides vierges.
"Malgré le besoin, le développement d'une méthode de calcul basée sur les premiers principes pour caractériser la localisation des électrons dans des matériaux réels a été un défi, comme les imperfections et les interactions électron-électron brisent deux des hypothèses fondamentales de la théorie des bandes :l'homogénéité du matériau et l'indépendance des particules, " dit Gunlycke.
Dans une lettre publiée en Lettres d'examen physique , numéro du 10 mars, les auteurs présentent une nouvelle méthode pour surmonter ces obstacles en combinant la théorie fonctionnelle de la densité des premiers principes, le modèle Anderson-Hubbard, et l'approximation typique d'amas dynamique moyen dans la théorie dynamique du champ moyen.
« Il existe une interaction complexe entre les imperfections et les interactions électron-électron dans les matériaux réels, " a déclaré le Dr Chinedu Ekuma, un chercheur postdoctoral du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) dans le groupe du Dr Gunlycke. « Les simulations informatiques rendues possibles par notre méthode devraient révéler de nouvelles perspectives critiques. »
La nouvelle méthode pour simuler la localisation des électrons dans des matériaux réels a été appliquée au nitrure de bore hexagonal monocouche, un isolant à grand écart, et prédit qu'il s'agit d'un matériau qui nécessite à la fois des imperfections et des interactions électron-électron pour subir une transition isolant-métal.
