Dans des travaux qui peuvent avoir de vastes implications pour le développement de nouveaux matériaux pour l'électronique, Les scientifiques de Caltech ont pour la première fois développé un moyen de prédire comment les électrons interagissant fortement avec les mouvements atomiques circuleront à travers un matériau complexe. Faire cela, ils se sont appuyés uniquement sur les principes de la mécanique quantique et ont développé une nouvelle méthode de calcul précise.

L'étude d'un matériau appelé titanate de strontium, chercheur postdoctoral Jin-Jian Zhou et Marco Bernardi, professeur assistant de physique appliquée et science des matériaux, ont montré que le transport de charge près de la température ambiante ne peut pas être expliqué par des modèles standard. En réalité, il viole la limite planckienne, une limite de vitesse quantique pour la vitesse à laquelle les électrons peuvent dissiper l'énergie lorsqu'ils traversent un matériau à une température donnée.

Leurs travaux ont été publiés dans la revue Examen physique de la recherche le 2 décembre.

L'image standard du transport de charge est simple :les électrons circulant à travers un matériau solide ne se déplacent pas sans entrave, mais peuvent être déviés de leur trajectoire par les vibrations thermiques des atomes qui composent le réseau cristallin du matériau. Lorsque la température d'un matériau change, il en va de même pour la quantité de vibration et l'effet résultant de cette vibration sur le transport de charge.

Les vibrations individuelles peuvent être considérées comme des quasi-particules appelées phonons, qui sont des excitations dans des matériaux qui se comportent comme des particules individuelles, bougeant et rebondissant comme un objet. Les phonons se comportent comme les vagues de l'océan, tandis que les électrons sont comme un bateau naviguant sur cet océan, bousculé par les vagues. Dans certains matériaux, la forte interaction entre les électrons et les phonons crée à son tour une nouvelle quasiparticule connue sous le nom de polaron.

"Le régime dit polaron, dans lequel les électrons interagissent fortement avec les mouvements atomiques, a été hors de portée pour les calculs de premier principe du transport de charges car elle nécessite d'aller au-delà des simples approches perturbatives pour traiter l'interaction forte électron-phonon, " dit Bernardi. " En utilisant une nouvelle méthode, nous avons pu prédire à la fois la formation et la dynamique des polarons dans le titanate de strontium. Cette avancée est cruciale car de nombreux semi-conducteurs et oxydes d'intérêt pour les futures applications électroniques et énergétiques présentent des effets de polaron."

Le titanate de strontium est connu comme un matériau complexe car à différentes températures, sa structure atomique change considérablement, le réseau cristallin passant d'une forme à une autre, qui à son tour décale les phonons que les électrons doivent naviguer. L'année dernière, Zhou et Bernardi ont montré dans un Lettres d'examen physique document qu'ils peuvent décrire les phonons associés à ces transitions de phase structurelles et les inclure dans leur flux de travail de calcul pour prédire avec précision la dépendance à la température de la mobilité des électrons dans le titanate de strontium.

Maintenant, ils ont développé une nouvelle méthode qui peut décrire les interactions fortes entre les électrons et les phonons dans le titanate de strontium. Cela leur permet d'expliquer la formation des polarons et de prédire avec précision à la fois la valeur absolue et la dépendance en température de la mobilité des électrons, une propriété clé de transport de charges dans les matériaux.

Ce faisant, ils ont découvert une caractéristique exotique du titanate de strontium :le transport de charge près de la température ambiante ne peut pas être expliqué avec la simple image standard de la diffusion des électrons avec les vibrations atomiques dans le matériau. Plutôt, le transport se produit dans un régime de mécanique quantique subtil dans lequel les électrons transportent l'électricité collectivement plutôt qu'individuellement, leur permettant de violer la limite théorique de transport de charges.

"Dans le titanate de strontium, le mécanisme habituel de transport de charge dû à la diffusion des électrons avec les phonons est largement accepté depuis un demi-siècle. Cependant, le tableau qui se dégage de notre étude est beaucoup plus compliqué, " dit Zhou. " A température ambiante, c'est comme si environ la moitié de chaque électron contribuait au transport de charge à travers le mécanisme habituel de diffusion des phonons, tandis que l'autre moitié de l'électron contribue à une forme collective de transport qui n'est pas encore entièrement comprise."

En plus de représenter une avancée fondamentale dans la compréhension du transport de charges, la nouvelle méthode de Zhou et Bernardi peut être appliquée à de nombreux semi-conducteurs ainsi qu'à des matériaux tels que les oxydes et les pérovskites, et à de nouveaux matériaux quantiques présentant des effets polarons. Outre les frais de transport, Zhou et Bernardi prévoient d'étudier des matériaux dotés d'une thermoélectricité non conventionnelle (la génération d'électricité à partir de la chaleur) et d'une supraconductivité (courant électrique sans résistance). Dans ces matériaux, les calculs existants n'ont pas encore pu prendre en compte les effets polaron.

L'article est intitulé "Predicting charge transport in the presence of polarons:The beyond-quasiparticle regime in SrTiO 3 ."