Přeměna vodiče v izolátor a naopak

 

V první z nich Jan Kuneš spolu s Vlastimilem Křápkem studovali modelový materiál, který se při nízkých teplotách chová jako nemagnetický izolátor, ale po zahřátí se u něj objeví silná magnetická odezva a dojde k postupnému přechodu do vodivého stavu. „Takové chování, pozorované např. u oxidu LaCoO ₃, je dlouhodobě předmětem intenzivního zájmu fyziků a není zatím plně pochopeno. Výpočty provedené na superpočítači dorje ve FZÚ AV ČR ukázaly, že zvýšená teplota vede k náhodným přechodům určitého počtu atomů do metastabilních stavů nesoucích magnetický moment. Pokud je vybuzených atomů dostatečné množství, začne být materiál vodivý,“ vysvětluje Jan Kuneš. Jeho spolupráce s Vlastimilem Křápkem nakonec vedla k zajímavému zjištění – za určitých podmínek mohou takto vybuzené  stavy zamrznout do periodického uspořádání, které vyplní celou krystalovou mřížku.

 

Ve druhé zmiňované práci studoval Jan Kuneš spolu s kolegy z Tokijské univerzity a Národní laboratoře v Oak Ridge (USA) chování oxidu Sr ₂IrO ₄, který též ve spojení se změnou magnetických vlastností vykazuje přechod kov-izolátor. Společným jmenovatelem těchto jevů je korelované chování elektronů ve studovaných materiálech. V běžných látkách vnímají elektrony elektrostatické odpuzování ostatních elektronů jen zprůměrovaně. „ Jejich chování se dá přirovnat k člověku jdoucímu po zaplněném náměstí, který vnímá dav kolem sebe, ale nevšímá si zvlášť každého jednotlivce. V takzvaných silně korelovaných materiálech, mezi které patří i studované látky, elektrony naopak silně interagují se svými nejbližšími sousedy a musejí se jim neustále přizpůsobovat. Asi jako když v zaplněné posilovně chcete přejít z hrazdy na rotoped a musíte počkat, až na něm váš kamarád docvičí,“ vystihuje názorně podstatu nových poznatků Jan Kuneš.

 

V běžných materiálech se magnetické momenty nesené jednotlivými elektrony vzájemně vyruší díky jejich téměř volnému pohybu. V silně korelovaných materiálech se elektrony neustále drží „daleko“ od sebe a jejich nekompenzované magnetické momenty se pak navenek projevují silnou magnetickou odezvou. Nízkou elektrickou vodivost takových materiálů si lze pak představit tak, že si elektrony navzájem brání v pohybu a nemohou proto vytvořit elektrický proud. „Společným znakem silně korelovaných materiálů je, že za určitých podmínek vykazují velmi silnou odezvu na slabé vnější podněty, např. změny teploty, tlaku, magnetické pole či osvícení. To je činí velmi atraktivními pro případné technologické aplikace,“ naznačuje možné využití v praxi Jan Kuneš.

 

Přestože se dá vzájemné odpuzování dvou elektronů popsat jednoduchým vzorcem, matematický popis korelovaného chování mnoha elektronů je nesmírně obtížný a zatím známe pouze lepší či horší přibližné metody. I tak jsou k řešení příslušných rovnic nutné velké počítače, které využívají od stovek (jako zmiňované dorje ) až po stovky tisíc procesorů. Numerické modelování silně korelovaných materiálů je mladým oborem spojeným s počátkem 21. století.

 

 

Více informací v publikacích:

Jan Kuneš and Vlastimil Křápek, Disproportionation and Metallization at Low-Spin to High-Spin Transition in Multiorbital Mott Systems; Phys. Rev. Lett. 106, 256401 (2011)

 

R. Arita, J. Kuneš, A. V. Kozhevnikov, A. G. Eguiluz, and M. Imada; Ab initio Studies on the Interplay between Spin-Orbit Interaction and Coulomb Correlation in Sr ₂IrO ₄ and Ba ₂IrO _4; Phys. Rev. Lett. 108, 086403 (2012)

 

Kontakt:

Dr. Jan Kuneš, Fyzikální ústav AV ČR, tel: +420 220 318 532; e-mail: kunes@fzu.cz; www.fzu.cz/~kunes

 

Připravil: Odbor mediální komunikace Kanceláře AV ČR