Nuevo enfoque para calcular el atasco de electrones en dicalcogenuros de metales de transición
Investigadores del Instituto Max Planck para la Estructura y la Dinámica de la Materia (MPSD) de Hamburgo y del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST) de Corea del Sur han descubierto que el método existente para calcular un determinado estado aislante produce errores y sugieren un nuevo enfoque en su lugar.
La geometría de 1T-TaS₂, con los átomos de Ta en rojo, los de S en naranja y la onda de densidad de carga (isosuperficie azul) resaltada por la forma de estrella hexagonal.
Dongbin Shin, MPSD
Aunque ambos están formados únicamente por moléculas de H₂O, el agua y el hielo presentan caracteres aparentemente distintos: La primera es sólida y el segundo es el líquido indispensable para todo ser vivo. Del mismo modo, muchos materiales de un mismo constituyente en la naturaleza pueden presentar fases diferentes. El diamante y el grafito son buenos ejemplos. Ambos están formados por átomos de carbono, pero el primero es transparente y aislante eléctricamente, mientras que el segundo parece negro y conduce la electricidad.
Muchas ramas de la teoría de la materia condensada se han centrado en las fases de los materiales, o en las variaciones de fase de un material determinado. En los llamados "materiales que cambian de fase" se puede acceder a las diferentes fases mediante un cambio de temperatura o presión. El dicalcogenuro de metales de transición TaS₂ es uno de estos fascinantes ejemplos. Puede adoptar varios estados materiales diferentes, como el estado superconductor, el estado conductor normal y propiedades aislantes. Sin embargo, el debate sobre su estado a baja temperatura (T < 200K) continúa, ya que muchos experimentadores afirman que el TaS₂ es un aislante en la fase de baja temperatura, pero muchos teóricos afirman que debe estar en un estado metálico.
Las teorías de la mecánica cuántica permiten saber con exactitud si un determinado material es aislante o metálico. En un estado mecánico cuántico de un material, como el diamante, todos los electrones están fuertemente ligados a los átomos y no tienen camino para moverse hacia otros átomos. Por otro lado, como los electrones conductores del grafito, los electrones tienen un camino bien desarrollado a través del cual la carga puede ser transportada. Hace unos 80 años, los físicos Mott y Peierls descubrieron que hay muchas otras razones sutiles que hacen que el material sea aislante. Por ejemplo, en el mecanismo aislante sugerido por Mott, el camino bien desarrollado puede desconectarse por correlaciones electrónicas inusuales, a diferencia de lo que ocurre en los aislantes normales como el diamante. Para el estado de baja temperatura del TaS₂, varios científicos han sugerido que es un aislante de tipo Mott, mientras que otros han afirmado que debe ser un metal.
En los aislantes de Mott, el transporte de electrones se estanca, como en un atasco. Este fenómeno se entiende bien en el marco de la teoría del funcional de la densidad (DFT), un procedimiento matemático que trata la mecánica cuántica de los sistemas de muchos electrones. Los científicos combinan la DFT y otro parámetro llamado potencial U de tipo Hubbard para calcular cómo se produce el atasco en el transporte de electrones.
Sin embargo, ahora un equipo de investigación del MPSD y del UNIST ha descubierto que la combinación de la DFT y el potencial U de tipo Hubbard puede conducir fácilmente a resultados erróneos, en particular para las fases de onda de densidad de carga (CDW) de los "materiales que cambian de fase", como el 1T-TaS₂. El equipo examinó detenidamente el procedimiento matemático en el que se basa este método.
El autor principal, Dongbin Shin, afirma: "Sabemos que, en la fase de baja temperatura, el estado CDW produce la reconstrucción en el patrón de estrella hexagonal. En este estado CDW, el potencial U de tipo Hubbard debe acomodarse en este patrón de estrella. Sin embargo, hemos encontrado que la aplicación del potencial U en el sitio atómico y no en el patrón de estrella conduce a un error sustancial en el cálculo del estado aislante de Mott. Esto es significativo para la correcta descripción de la interacción de Coulomb entre los estados CDW".
El estudio del equipo no sólo puede resolver el viejo problema relacionado con el estado aislante de Mott del 1T-TaS₂, sino que también sugiere la aproximación del potencial de tipo U de Hubbard generalizado para describir el aislante de Mott en la fase CDW y para corregir la interacción de Coulomb in situ en los sólidos moleculares.
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