Material fuertemente correlacionado

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) , tales como transiciones metal-aislante , comportamiento de fermiones pesados , semimetalicidad y separación espín-carga . La característica esencial que define a estos materiales es que el comportamiento de sus electrones o espinones no puede describirse eficazmente en términos de entidades no interactuantes. ^{[ 1 ]} Los modelos teóricos de la estructura electrónica ( fermiónica ) de los materiales fuertemente correlacionados deben incluir la correlación electrónica ( fermiónica ) para ser precisos. Recientemente, la etiqueta materiales cuánticos también se utiliza para referirse a los materiales fuertemente correlacionados, entre otros.

Muchos óxidos de metales de transición pertenecen a esta clase ^{[ 2 ]} , que puede subdividirse según su comportamiento, por ejemplo , materiales de alta _Tc , materiales espintrónicos , multiferroicos , aislantes de Mott , materiales de spin Peierls, materiales de fermiones pesados , materiales cuasi-de baja dimensionalidad, etc. El efecto más estudiado es probablemente la superconductividad de alta temperatura en cupratos dopados , por ejemplo, La₂₋ₓSrₓCuO₄ _{. 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 electrónicas d o f incompletas con bandas de energía estrechas. Ya no se puede considerar que ningún electrón en el material se encuentre en un " mar " del movimiento promedio de los demás (también conocido como teoría de campo medio ). Cada electrón individual ejerce una influencia compleja sobre sus vecinos.

El término correlación fuerte se refiere al comportamiento de los electrones en sólidos que no se describe adecuadamente (a menudo ni siquiera de forma cualitativamente correcta) mediante teorías simples de un solo electrón, como la aproximación de densidad local (LDA) de la teoría del funcional de la densidad o la teoría de Hartree-Fock . Por ejemplo, el material aparentemente simple NiO tiene una banda 3d parcialmente llena ( el átomo de Ni tiene 8 de los 10 posibles electrones 3d ) y, por lo tanto, se esperaría que fuera un buen conductor. Sin embargo, la fuerte repulsión de Coulomb (un efecto de correlación) entre los electrones d hace que el NiO sea, en cambio, un aislante de banda prohibida ancha . Así, los materiales fuertemente correlacionados tienen estructuras electrónicas que no son ni simplemente de tipo electrón libre 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 hamiltonianos de modelos simplificados (por ejemplo, modelos tipo Hubbard ), para describir fenómenos debidos a una fuerte correlación electrónica. Entre ellos, la teoría de campo medio dinámico (DMFT) captura con éxito las características principales de los materiales correlacionados. Los esquemas que utilizan tanto LDA como DMFT explican muchos resultados experimentales en el campo de los electrones correlacionados.

Experimentalmente, se han utilizado espectroscopía óptica, espectroscopía de electrones de alta energía , fotoemisión resonante y, más recientemente, dispersión inelástica resonante (dura y blanda) de rayos X ( RIXS ) y espectroscopía de neutrones para estudiar la estructura electrónica y magnética de materiales fuertemente correlacionados. Las firmas espectrales observadas mediante estas técnicas que no se explican por la densidad de estados de un solo electrón suelen estar relacionadas con efectos de correlación fuerte. Los espectros obtenidos experimentalmente pueden compararse con las predicciones de ciertos modelos o utilizarse 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 tienen aplicaciones como imanes superconductores y en tecnologías de almacenamiento magnético (CMR). Otros fenómenos, como la transición metal-aislante en VO₂ _, se han explorado como un medio para fabricar ventanas inteligentes que reduzcan los requisitos de calefacción/refrigeración de una habitación. ^{[ 4 ]} Además, las transiciones metal-aislante en materiales aislantes de Mott como LaTiO₃ _se pueden ajustar mediante modificaciones en el llenado de banda para potencialmente usarse en la fabricación de transistores que emplearían configuraciones convencionales de transistores de efecto de campo para aprovechar el cambio brusco en la conductividad del material. ^{[ 5 ]} Los transistores que utilizan transiciones metal-aislante en aislantes de Mott se denominan a menudo transistores de Mott, y se han fabricado con éxito utilizando VO₂ _{anteriormente} , pero han requerido campos eléctricos más grandes inducidos por líquidos iónicos como material de puerta para funcionar. ^{[ 6 ]}

• Correlación electrónica
• Comportamiento emergente

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