Projekti / Programi
Študija sistemov z močno interagirajočimi elektroni preko obravnave modela za organske superprevodnike
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.02 |
Naravoslovje |
Fizika |
Teoretična fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
Teorija trdne snovi, korelirani elektroni, organski superprevodniki, Hubbardov model, frustrirani sistemi, fazni diagram, Mottov izolator, spinska tekočina, termodinamske lastnosti, transportne lastnosti, končne temperature, numerične metode
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
26458 |
dr. Jure Kokalj |
Fizika |
Vodja |
2013 - 2015 |
103 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Organski superprevodniki so omogočili nov pristop k raziskovanju sistemov z močno koreliranimi elektroni, predvsem preko možnosti eksperimentalnega spreminja moči frustracije in jakosti interakcije med elektroni. Takšne možnosti bolj intenzivno obravnavani kuprati ne ponujajo in je že pripeljala do novih odkritij, npr. novega stanja snovi, ki se imenuje spinska tekočina, in odprla nova fundamentalna vprašanja, kot je npr. vprašanje o univerzalnem razred prehoda med Mottovim izolatorjem in kovino. Kljub temu da bi se obe družini materialov načeloma dalo popisali s podobnima Hubbardovima modeloma (kuprate na kvadratni mreži in organske superprevodnike na anizotropni trikotni mreži), je njihove elektronske lastnosti težko razumeti. Razumevanje je oteženo zaradi močnih korelacij, večdelčnih kvantnih efektov, tekmujočih faz in nizke dimenzionalnosti.
Eden izmed redkih zanesljivih pristopov k obravnavi teh sistemov predstavljajo računalniške simulacije z uporabo najnaprednejših numeričnih metod. V tem projektu bomo uporabili metode točne diagonalizacije, kot je npr. Lanczoseva metoda za končne temperature in z njo temeljito obravnavali Hubbardov model na anizotropni trikotni mreži. Te metode so se že izkazale za uspešne pri obravnavi t-J in Hubbardovega modela za kuprate ter so celo bolj primerne za študijo organskih superprevodnikov.
Fundamentalna vprašanja, ki jih bomo obravnavali, se nanašajo na razlike in podobnosti med izničenjem Mottovega izolatorja z dopiranjem (realizirano v kupratih) in izničenjem Mottovega izolatorja z večanjem frustracije ali zmanjševanjem jakosti interakcije (realizirano v organskih superprevodnikih). Podobnosti so z eksperimenti opazili, npr. v anomalni linearni odvisnosti upornosti od temperature blizu Mottovega izolatorja, ki kaže tudi povezavo z visokotemperaturno superprevodnostjo. Razlike pa so bile izmerjene v renormalizaciji kvazi-delčne mase. Vse to še vedno čaka na razlago z mikroskopsko teorijo.
S študijo modela v različnih režimih bomo dobili tudi informacije o dveh najbolj konkurenčnih teorijah visokotemperaturne superprevodnosti, in sicer teoriji resonančne valenčne vezi (RVB) in teoriji spinskih fluktuacij. Obravnavali bomo tudi univerzalni razred Mottovega prehoda, za katerega je bil izmerjen nov in še ne razumljen set kritičnih eksponentov. To je tema trenutne in kontroverzne diskusije.
Večji del projekta bo bolj eksperimentalno usmerjen in bo obravnaval naslednje vprašanje: “Ali je mogoče elektronske lastnosti organskih superprevodnikov, ki so precej kompleksni molekulski kristali, popisati s Hubbardovim modelom na anizotropni trikotni mreži?”. Na to vprašanje je potrebno najti odgovor, saj bo postavil trdne temelje za bodoče raziskave. Izračunali bomo fazni diagram modela in ga primerjali z eksperimentalnim faznim diagramov za organske superprevodnike, kar bomo podprli s kvantitativno primerjavo rezultatov in eksperimentalnih podatkov za številne statične in dinamične količine. Razumevanje nekaterih količin oziroma njihovih lastnosti predstavlja svojevrsten izziv. To vključuje nemonotono temperaturno odvisnost transportnih količin (enosmerne prevodnosti, Hallovega koeficienta in termoelektričnosti), znižanje NMR relaksacijskega časa pri nizkih temperaturah (obstoj psevdo-energijske vrzeli) in obstoj ter režim ponovljene faze (pojav prehodov izolator-kovina-izolator s samo nižanjem temperature). Vse te količine kažejo zanimivo in nerazumljeno temperaturno odvisnost in jih je potrebno obravnavati z metodami za končne temperature.
Metode, ki bodo uporabljene v tem projektu, omogočajo izračun temperaturne, momentne in frekvenčne odvisnosti mnogih fizikalnih količin. To je težko, če ne nemogoče, doseči z drugimi metodami. Projekt bo torej predstavljal celostno študijo organskih superprevodnikov. Z njim bo tudi omogočena potrebna dodatna študija k redkim obstoječim rezultatom, dobljenih s teorijo dinamičnega povprečnega polja.
Pomen za razvoj znanosti
V tem projektu smo obravnavali močno interagirajoče elektrone, ki predstavljajo osrednji izziv za teorijo fizike kondenzirane snovi. Preko inovativnega in točnega pristopa s strani visoke spinske polarizacije smo pokazali, da je osnovni mehanizem Mottovega prehoda v spremembi nevezanih parov praznih (holon) in dvojno zasedenih (doublon) mest v vezane pare. To bistveno prispeva k razumevanju prehoda in daje osnovo za nadaljnje razumevanje prehoda in njegovih lastnosti, vključno s kritičnim obnašanjem. Preko izračuna večjega števila fizikalnih količin smo določili fazni diagram Hubbardovega modela na anizotropni trikotni mreži in lastnosti posameznih faz. To bistveno pripomore k teoretičnemu razumevanju in opisu faznega diagrama ter posameznih faz, kar je bistvenega pomena za nadaljnje natančnejše proučevanje posameznih faz, njihovih lastnosti ter primerjavo z eksperimentalnimi podatki. Med drugimi smo določili tudi območje bolj kontroverznih faz, kot sta spinska tekočina in faza pseudo-energijske vrzeli. Nadaljnje smo na modelu izračunane količine primerjali z eksperimentalnimi podatki za organske superprevodnike in večinoma dobili zelo dobro kvantitativno ujemanje. To daje trdno podporo uporabljenemu mikroskopskemu modelu za organske superprevodnike, kar predstavlja trden temelj za nadaljnje teoretične raziskave teh materialov. Hkrati pa smo poudarili, da je za opis določenih lastnosti potrebno model nadgraditi, npr. za pravilen opis termoelektričnosti je potrebno upoštevati dimerizacijo prekrivalnih integralov na trikotni mreži. Med drugimi smo pokazali tudi, da je termoelektrični efekt povečan pri prehodu iz Fermijeve tekočine v slabo kovinsko fazo, kar je zanimivo tudi za aplikativno pretvorbo med električno napetostjo in temperaturnim gradientom. Preko izračuna optične prevodnosti, nabojne susceptibilnosti in difuzijske konstante v bližini Mottovega prehoda smo ugotovili, da je v fazi slabe kovine in pri visokih temperaturah prevodnost mogoče razumeti preko obnašanja nabojne susceptibilnosti. Preko te enostavnejše in bolj fundamentalne količine je namreč možno razumeti tako močno odvisnost upornosti od dopiranja, kot tudi njeno linearnost v temperaturi ter kršitev Mott-Ioffe-Regel limite. Pokazali smo tudi, da spinske korelacije povečajo nabojno susceptibilnost v dopiranem izolatorju in posledično zmanjšajo upornost, kar smo predlagali za možno razlago pseudo-energijskega obnašanja v upornosti. Predlagana nova slika bistveno pripomore k razumevanju faze slabe kovine preko enostavnejših količin, zato upamo, da bo stimulirala nadaljnje teoretične, še bolj pa natančnejše eksperimentalne verifikacije. Pomembnost znanstvenih ugotovitev se že odraža preko objav v uglednih mednarodnih revijah, mednarodnemu odzivu in večjemu številu vabljenih predavanj.
Pomen za razvoj Slovenije
Dodatno znanje in razumevanje materialov z močno interagirajočimi elektroni, ki je bilo pridobljeno v tem projektu, pripomore k potencialni aplikativni uporabi teh materialov, npr. kot termoelektriki ali visokotemperaturni superprevodniki. Preko dela na projektu smo vzpostavil tesno sodelovanje s tujimi raziskovalci, ki delujejo na University of Queensland, Brisbane (Avstralija), Yukawa institute for theoretical physics, Kyoto (Japonska), RIKEN Advanced Institute for Computational Science, Kobe (Japonska), Tokyo University of Science, Tokyo (Japonska), RIKEN, Wako (Japonska), University of Crete, Heraklion (Grčija) ter ETH Zürich (Švica). To omogoča dostop do tujih znanj in ekspertiz ter pridobitev boljših rezultatov preko kombinacije domačega in tujega znanja. Poleg tega smo v okviru projekta vzpostavili tudi sodelovanje z dvema eksperimentalnima skupinama, eno na ETH Zürich (Švica) in drugo na Institutu Jožef Stefan, kar omogoča nadgradnjo razumevanja preko sodelovanja med eksperimentom in teorijo. Vse to bistveno pripomore k ugledu ter prepoznavnosti slovenske znanosti, k čemer dodatno pripomorejo objave v mednarodnih revijah, pridobljeni citati ter predstavitve v tujini. S tem se povečuje možnost pridobitve tujih (npr. evropskih) projektov, povečuje pa se tudi privlačnost Slovenije za tuje raziskovalce in študente.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
