Схематическая визуализация полярона в монослое гексагонального нитрида бора.
Кредит: Фелисиано Джустино

Поляроны — это локализованные квазичастицы, возникающие в результате взаимодействия между фермионными частицами и бозонными полями. В частности, поляроны образуются, когда отдельные электроны в кристаллах искажают окружающую их атомную решетку, создавая сложные объекты, которые ведут себя больше как массивные частицы, чем как электронные волны.

Фелисиано Джустино и Венг Хонг Сио, два исследователя из Техасского университета в Остине, недавно провели исследование процессов, лежащих в основе формирования поляронов в двумерных материалах. Их статья, опубликованная в журнале Nature Physics, описывает некоторые фундаментальные механизмы, связанные с формированием этих частиц, которые не были идентифицированы в предыдущих работах.

«Еще в 2019 году мы разработали новую теоретическую и вычислительную основу для изучения поляронов », — сказал Phys.org Фелисиано Джустино, один из исследователей, проводивших исследование. «Одна вещь, которая привлекла наше внимание, заключается в том, что во многих экспериментальных работах обсуждаются поляроны в трехмерных объемных материалах, но мы смогли найти только пару статей, в которых сообщается о наблюдениях этих частиц в 2D. 2D более редки или более неуловимы, чем в 3D, и наша недавняя статья посвящена этому вопросу».

Первоначально Джустино и Сио намеревались вычислить форму (т. е. волновую функцию) и стабильность (т. е. энергию) локализованных поляронов в двумерных материалах на атомном уровне. Это сложная задача, поскольку она влечет за собой описание всех атомов и электронов, участвующих в формировании поляронов, что пока невозможно эффективно сделать с помощью компьютеров.

Схематическая визуализация полярона в монослое гексагонального нитрида бора.
Кредит: Фелисиано Джустино

«Например, поляроны, рассматриваемые в этом исследовании, содержат до 30 000 атомов», — пояснил Джустино. «Наша стратегия состояла в том, чтобы переформулировать проблему на языке теории возмущений функционала плотности, метода, который успешно использовался в течение многих лет для изучения решеточных колебаний (т. е. фононов). Этот метод позволяет нам охватить физику поляронов, минуя необходимость прямых расчетов с тысячами атомов. Другим важным компонентом было выяснить, как описать взаимодействие между электронами и вибрациями в 2D».

В статье, опубликованной в прошлом году , Джустино и Сио представили новый подход к описанию взаимодействия между электронами и вибрациями в 2D-материалах, который по существу влечет за собой определение электростатики точечных диполей в 2D. В своем недавнем исследовании они использовали этот подход вместе с теорией возмущений функционала плотности для изучения механизмов, лежащих в основе формирования поляронов в двумерных кристаллах.

«Мы выяснили фундаментальные механизмы формирования поляронов в двумерных материалах, поэтому эта работа будет полезна для более широкого понимания этих частиц», — сказал Джустино. «В частности, помимо наших сложных квантово-механических расчетов, мы разработали простую модель, которая позволяет нам нарисовать карту того, где найти эти частицы и какими будут их свойства».

Используя созданную ими модель, Джустино и Сио смогли определить в реальном пространстве структуру дырочного полярона в гексагональном нитриде бора, о которой сообщалось в недавних исследованиях. Кроме того, они обнаружили важные условия и законы, лежащие в основе формирования поляронов в двумерных кристаллах.

«Поляроны привлекают все больше внимания, потому что они обнаружены в материалах, используемых для OLED-экранов, фотокатализа и даже в материалах для будущих нейроморфных компьютеров, поэтому мы надеемся, что это исследование поможет исследователям глубже понять эти частицы и, возможно, даже настроить их свойства для реализовать более эффективные материалы и устройства», — добавил Джустино. «Теперь мы планируем использовать эти инструменты для исследования более широкого семейства материалов. Мы также хотели бы понять, как эти частицы реагируют на электрические и магнитные поля и как можно использовать их уникальные свойства для реализации новых функций».