¿Cómo funcionan las transiciones de metal aislante en los materiales de transición de Mott?

Answer 1

La transición de Mott no es difícil de entender intuitivamente, porque es directamente análoga a la fusión ordinaria de un cristal sólido. Excepto en el caso de la transición de Mott, los electrones mismos se han cristalizado sobre los núcleos ya cristalizados, y la fusión está restaurando un estado que se parece a un líquido de Fermi, donde los electrones están deslocalizados.

Para comprender cómo puede suceder esto, considere primero esta pregunta: ¿por qué los núcleos no conducen la electricidad? Digamos que los núcleos son fermiones, también están en un sistema periódico efectivo, también tienen cierta amplitud de túnel para saltar de un lugar a otro, ¿no deberían formar bandas, como hacen los electrones? Las bandas se forman incluso en el salto infinitesimal, esta es una cuestión de principio. Parece que la descripción de la mecánica cuántica requiere núcleos deslocalizados, excepto que es manifiestamente obvio que no es así, los núcleos no hacen nada de eso, se sientan allí en un cristal, e incluso la difusión de un sitio a otro es muy lento.

La razón es que el estado fundamental cuántico de los núcleos es una superposición de configuraciones de red, porque cualquier desviación de una configuración de red cuesta demasiada energía, por lo que el movimiento colectivo de los núcleos a expandirse se suprime exponencialmente, y la supresión se trata de el tamaño de un sitio de red, de modo que el estado fundamental de los núcleos es una superposición de redes ligeramente diferentes, no un estado distribuido en bandas que está vinculado perturbativamente al estado de núcleo líquido de Fermi. La repulsión nuclear es lo que está evitando las bandas nucleares en este caso.

Ahora suponga que puede ajustar la repulsión electrónica para fortalecerse. En algún momento, los electrones se cristalizarán como una red y dejarán de conducir, excepto que esta cristalización está sobre los núcleos ya cristalizados, de modo que es solo una pérdida de movilidad, no una ruptura de la simetría de la traducción. La transición cristalina en un metal es la transición de Mott.

No sé las aplicaciones tecnológicas de esto, pero es extremadamente importante en teoría. Puedes ver que es un efecto colectivo, que involucra a todos los electrones que cristalizan juntos, y sin la analogía de un congelamiento sólido, es difícil ver cómo puedes imaginarte esta posibilidad. No leí el artículo de Mott sobre esto, tal vez él tenía una intuición diferente.

Answer 2

En los materiales normales, las interacciones electrón-protón determinan si un material es un metal o un aislante. Cada electrón puede sujetarse fuertemente a su núcleo, en cuyo caso el material es un aislante, o el costo energético de dejar un núcleo y simplemente pasar de un átomo a otro es insignificante, en cuyo caso el material es un metal.

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En materiales normales, los efectos de electrones son insignificantes.

PERO, en los aisladores de Mott, las interacciones electrón-electrón previenen el movimiento de los electrones.

Dos electrones con espín opuesto pueden emparejarse en cada orbital atómico. Pero ese emparejamiento tiene un costo. Es por eso que la regla de Hund hace que todos los orbitales se llenen con un electrón de la misma dirección de giro antes de que los electrones comiencen a emparejarse. En un aislador Mott, cada átomo tiene un orbital a la izquierda en el medio llenado. Para mover un electrón a otro sitio, tendría que emparejar dos electrones, algo energéticamente desfavorable. A pesar de que los orbitales están en la misma energía, mover un electrón cuesta demasiado en términos de repulsión electrón-electrónica.

[4]

Así que un aislador normal es una cárcel:

[1] La gente simplemente no puede moverse. Los límites son demasiado fuertes.

Un metal normal es el metro de Tokio:

[2] La gente se mueve por su camino fácilmente. En su mayoría ignoran a otras personas, y si no lo hacen, realmente no afecta su día.

Y un aislador de Mott es una biblioteca:

[3] La gente podía moverse e ir a otro lugar, pero luego tenían que hablar con alguien. Eso es muy dificil Mejor quedarse en un solo lugar.

[1] David Ramírez, dominio público.

[2] Lombroso, dominio público

[3] Dfoatlamfenddolmaon, dominio público

[4] Yo, cortesía de inkscape.

Answer 3

Hay unos pocos óxidos de vanadio. El que se describe en el artículo de Wikipedia sobre la transición de Mott es

Una transición de Mott-Hubbard. El V2O3 dopado con Ti experimenta una transición del aislante antiferromagnético al estado de conducción magnética desordenada.

El dióxido de vanadio (VO2) cambia de un aislante de espacio moderadamente estrecho a un metal débilmente conductor debido a que cambia su estructura cristalina. Es decir, las brechas entre algunos pares de átomos se reducen mientras que otros se alargan. Las cambiantes longitudes de enlace cambian las energías de los electrones y la suma de todos los cambios causa cambios en las bandas de energía.

No conozco ninguna tecnología que use VO2. A principios de la década de 1970, había interés en fabricar elementos de conmutación eléctrica a partir del VO2. El problema es que los ciclos repetidos entre las dos estructuras de cristal causan agrietamiento. Los defectos crecientes reducen la diferencia de conductividad entre los dos estados.

Answer 4

No estoy seguro de cuál es el mecanismo detrás de esto, pero el VO2 se ha propuesto para su uso como una ventana inteligente que pasa o bloquea la luz infrarroja según la temperatura. Esto parece ser de lo que Ed está hablando en la respuesta anterior.

Ver: el transistor hecho de dióxido de vanadio podría funcionar como una ventana inteligente para bloquear la luz infrarroja
Óxido de vanadio (IV)