Student World

***oznámení Tiskového odboru AV ČR

Elektrická vodivost patří k nejzákladnějším vlastnostem materiálů. Ačkoli se mění s teplotou, zařazení mezi vodiče nebo izolátory je u většiny materiálů dané jejich chemickým složením a krystalovou strukturou. Existují však látky, u nichž lze malou změnou vnějších parametrů, např. teploty nebo tlaku, dosáhnout přeměny vodiče v izolátor nebo naopak. Skupina Dr. Jana Kuneše z Fyzikálního ústavu (FZÚ) AV ČR se zabývá teoretickým popisem těchto jevů a její úspěšné bádání v poslední době vyústilo ve dvě významné práce publikované v časopisu Physical Review Letters.

 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 LaCoO₃, 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 Sr₂IrO₄, 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.

Reálné materiály jsou často popisovány pomocí zjednodušených mřížkových modelů. Uzly mřížky odpovídají jednotlivým atomům, mezi kterými mohou přeskakovat elektrony. Ve studovaném modelu LaCoO₃ mohou atomy existovat buď v nemagnetickém stavu (kolečka), v němž se magnetické momenty nesené elektrony navzájem ruší, nebo v magnetickém stavu, kdy se momenty elektronů sčítají. Za nízkých teplot převažují nemagnetické atomy. S rostoucí teplotou roste počet magnetických atomů, které vytvoří uspořádanou supermřížku. Další zvýšení teploty nad určitou mez vede k roztání supermřížky. Výpočty ukazují, že pouze stav s velkým počtem neuspořádaných magnetických atomů umožňuje vedení elektrického proudu. Graf v pravé části obrázku ukazuje vypočtenou magnetickou susceptibilitu, která vyjadřuje, jak silně materiál reaguje na magnetické pole.

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)

autor