Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Dezvoltări şi modelări teoretice în INCD pentru Fizica Materialelor

15 Decembrie 2020



Descoperirea efectului Hall cuantic (EHC) în urmă cu 40 de ani şi explicarea acestuia prin existenţa aşa-numitelor stări de “margine” au confirmat proprietăţile topologice ale materiei condensate. În ultimii ani caracterul exotic al EHC a fost treptat surclasat de identificarea unor noi clase de materiale bidimensionale (2D) sau tridimensionale (3D) care prezintă efect Hall anomal (în absenţa câmpului magnetic) şi de span, stări de margine chirale care permit o propagare eficientă a electronilor de conducţie sau tranziţii de fază topologice. Aceste proprietăţi netriviale sunt datorate structurii de benzi şi topologiei funcţiilor de undă, care derivă în mod direct din simetriile implicate şi din cuplajele spin-orbită. Modelarea acestor materiale cuantice şi identificarea diverselor regimuri de transport sunt condiţii obligatorii pentru integrarea lor în nanotehnologiile de vârf.

În acest context, grupul de fizică teoretică din INCDFM a elaborat în ultimii ani descrieri teoretice consistente ale proprietăţilor spectrale şi de transport pentru materiale 2D (de ex. grafena şi fosforena), reţele artificiale Lieb şi izolatori topologici. Investigaţiile şi modelările ţin cont de caracterul finit al sistemelor 2D folosite în măsurătorile de transport şi includ rolul contactelor. În particular pentru fosforenă sunt identificate atât rolul stărilor chirale în obţinerea platourilor conductanţei Hall în prezenţa unui câmp magnetic, cât şi caracterul disipativ al stărilor de margine topologice care apar în banda cuasi-plată a spectrului. Aceste stări influenţează în mod radical conductanţa longitudinală a probei. De asemenea, s-a propus un mecanism care conduce la efect Hall cuantic anomal (sau regim de izolator Chern) pentru un sistem descris de un model de reţea diatomică. Mecanismul se bazează pe introducerea dezordinii în sistem şi se manifestă prin localizarea stărilor de „bulk”. În aceste condiţii transportul şi cuantificarea rezistenţei Hall sunt asigurate exclusiv de stările de margine topologice, ale căror proprietăţi nu sunt afectate de prezenţa dezordinii.

O altă direcţie de investigaţii teoretice vizează propunerea de noi dispozitive bazate pe controlul eficient al interacţiei electron-foton în sisteme cuantice hibride sau pe cuplajul cu modurile de vibraţie ale unui nanorezonator. Dintre rezultatele obţinute recent menţionăm caracterizarea proprietăţilor optice şi de transport pentru un emiţător cuantic. Mai precis, pe baza unui formalism teoretic adecvat pentru descrierea fenomenelor de neechilibru în sisteme cuantice deschise, am prezis comportamentul curentului generat de recombinarea unor configuraţii electron-gol de tip exciton sau biexciton într-un dot cuantic imersat într-o cavitate. Astfel, s-a identificat un regim intermediar în care curentul rămâne constant sau chiar creşte uşor în pofida amplificării pierderilor din cavitate. Menţionăm că un astfel de dispozitiv hibrid a fost deja realizat experimental şi permite atingerea unui cuplaj electron-foton cu câteva ordine de mărime mai mare decât cel întâlnit în experimentele de optică. Într-un alt studiu recent am evidenţiat rolul schimbului de fotoni între doi conductori cuantici asupra curenţilor tranzitorii. Acest studiu prezintă un interes ridicat din punct de vedere fundamental, deoarece prezintă un tip de interacţie nelocală, cele două sisteme considerate fiind separate spaţial, astfel încât şi interacţia electrostatică şi procesele de tunelare dintre ele sunt neglijabile. Toate aceste rezultate sunt prezentate în articole publicate în revista Physical Review B a Societăţii Americane de Fizică.

Pe de altă parte, dezvoltarea accelerată a materialelor multiferoice, a interfeţelor feroelectrice reclamă o specializare accentuată în utilizarea metodelor de investigaţie numerică avansată. În fapt, tehnicile de caracterizare a interfeţelor trebuie ghidate de predicţiile simulărilor. Pentru a putea aborda probleme cum ar fi influența defectelor asupra proprietăţilor electronice ale unui material, sau distribuţia purtătorilor de sarcină la interfaţa dintre două materiale de interes, sunt necesare sisteme de calcule numerice performante. Astfel de sisteme sunt realizate dintr-un număr de servere echipate cu procesoare puternice şi memorie RAM adaptată tipului de calcule efectuate. Pentru genul de probleme studiate în fizica materialelor, 6 GB de memorie RAM pentru fiecare nucleu de procesor este o cerinţă minimală. Aceste servere sunt interconectate prin reţele de mare viteză şi sunt setate pentru a rezolva în paralel o problemă dată. În funcţie de puterea de calcul avută la dispoziţie, se pot studia materiale şi dispozitive în condiţii cât mai apropiate de realitatea experimentală. Recent, Grupul de heterostructuri complexe şi oxizi perovskitici a investit în upgradarea infrastructurii de calcul, a cărei dezvoltare a început în anul 2010. În acest moment, grupul are la dispoziţie un cluster HPC echipat cu 300 de nuclee de calcul şi o medie de 6 GB per nucleu. Interconectivitatea între serverele de calcul este realizată printr-o reţea Infiniband de mare viteză, acest lucru permiţând o comunicare eficientă în timpul calculelor. Acest upgrade a permis studierea efectelor dopajului la concentraţii apropiate de realitatea experimentală în materiale feroelectrice precum titanatul de plumb. Pentru un astfel de studiu, sistemul iniţial este contruit din 135 de atomi din patru specii diferite. Folosind tehnici de calcul numeric specifice, cum ar fi teoria funcționalei de densitate, se poate evalua efectul diferitelor specii de atomi dopanţi prin simpla modificare a structurii iniţiale şi recalcularea proprietăţilor. În acest fel se poate micşora plaja de posibile specii de dopanţi pentru a putea fi încercate teste de laborator.

Un exemplu elocvent care ilustrează utilitatea abordării computaționale pentru înțelegerea, modelarea și mai apoi controlul proprietăților materialelor din generația următoare de dispozitive electronice bazate pe oxizi este cel al heterostructurilor funcționale. Acestea constau din straturi subțiri, crescute cu precizia unui strat atomic, ce au proprietăți fizice diferite în funcție de materialele utilizate, de proprietățile lor individuale, de grosimile și chiar de secvența atomică de creștere. Folosind depunerea epitaxială în fascicul laser, astfel de structuri au fost preparate în INCDFM folosind materialele care au în mod intrinsec proprietăți fascinante, cum ar fi supraconductibilitatea, care constă din deplasarea sarcinilor electrice prin material fără a întâmpina nici o rezistență, magnetorezistența colosală, care constă din variații uriașe ale rezistenței electrice în funcție de un câmp magnetic aplicat, sau feroelectricitatea, care constă din apariția unei polarizări electrice spontane, reversibilă prin aplicarea unui câmp electric. Toate aceste proprietăți sunt deosebit de tentante pentru realizarea de dispozitive electronice care să funcționeze cu costuri de operare reduse. Mai mult, aceste proprietăți pot adesea coexista în vecinătatea regiunii de contact, în funcție de proprietățile constituenților putând apărea chiar efecte noi. Rezultatele obținute combinând investigațiile cu radiație de sincrotron și calculele de structură electronică au evidențiat faptul că mobilitatea electronilor, ca urmare și rezistența interfeței dintre un strat feroelectric (BaTiO3) și un alt oxid având conducție metalică (LaSrMnO3) poate fi controlată folosind starea feroelectrică a stratului superior.



Calculele au fost realizate folosind un model care să reproducă proprietățile interfeței, și care a fost elaborat în urma investigațiilor de microscopie electronică de înaltă rezoluție, care au arătat exact natura și grosimea straturilor adiacente interfeței.



Acestea au permis înțelegerea modului în care modificările care apar în stratul conductor sunt corelate cu starea de polarizare a stratului feroelectric.

Mai exact, s-a putut stabili faptul că modificările în proprietățile electronice ale interfeței sunt cauzate pe de o parte de modul în care structură cristalină a oxidului LaSrMnO3 se adaptează la modificările induse de stratul feroelectric superior, ce induce variații ale distanțelor interatomice precum și a unghiurilor legăturilor chimice în oxidul metalic din imediat să vecinătate. În mod suplimentar are loc și o modulare a densității de sarcină indusă în LaSrMnO3 de către direcția bine definită a polarizării feroelectrice din BaTiO3. Această acumulare sau, după caz, sărăcire de purtători, ajută sau dimpotrivă împiedică transportul electronilor ce călătoresc prin material, datorită modului diferit în care aceștia sunt atrași de ionii rețelei cristaline. În mecanica cuantică, electronul împreună cu structură cristalină modificată local în acest fel definește o quasi-particulă numită polaron, iar acest efect este similar cu cel ce descrie supraconductibilitatea, în care electronii devin legați prin intermediul interacției cu rețeaua cristalină, formând perechi Cooper ce împreună pot călători fără a întâmpina nici o rezistență. Aceste rezultate, ce sunt în curs de publicare în revista Science Advances, pot deschide calea către o nouă modalitate de control a rezistenței electrice în dispozitive cu dimensiuni de ordinul a câteva straturi atomice, dimensiuni care vor deveni uzuale în contextul miniaturizării tot mai accentuate din electronica actuală.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite