Ova stranica koristi kolačiće (cookies) kako bi osigurala bolje korisničko iskustvo.

Više informacija možete pronaći u Izjavi o kolačićima.

Slažem se

Kontrast Disl
A A A
Znanstvene vijesti — 28.11.2020.

Molekularni kvantni materijali: elektronske faze i dinamika naboja u dvodimenzionalnim organicima

Naša kolegica Silvia Tomić, zajedno s Martinom Dresselom sa Sveučilišta u Stuttgartu, objavila je pregledni rad pod nazivom “Molecular quantum materials: electronic phases and charge dynamics in two-dimensional organic solids” u prestižnom časopisu Advances in Physics. Autori daju perspektivu nedavnog napretka u razumijevanju novih kvantnih fenomena u fizici dvodimenzionalne organske čvrste tvari. Ovi materijali predstavljaju iznimnu klasu jako koreliranih elektronskih sistema te su prepoznati kao svestrani kvantni materijali u kojima su prisutni brojni kvantni fenomeni koji su u centru pažnje današnje fizike kondenzirane materije. Pregled pokriva različite aspekte elektronske feroelektričnosti, bezmasenih Diracovih fermiona, kvantnog kritičnog ponašanja, korelacijama induciranih metal-izolator faznih prijelaza, kvantne tekućine spina i električnih dipola. Reprezentativni eksperimentalni rezultati su upotpunjeni s aktualnim teorijskim pristupima.

Molecular quantum materials: electronic phases and charge dynamics in two-dimensional organic solids

Martin Dressel and Silvia Tomic, Advances in Physics 69:1, 1-120 (2020).

DOI: 10.1080/00018732.2020.1837833

Fizika sistema reducirane dimenzionalnosti otkriva kvalitativne promjene njihovih svojstava. Iako nisu organizirani u atomski tanke slojeve kao npr. grafen, organski materijali niske dimenzionalnosti posjeduju brojne karakteristike koje su posljedica njihove reducirane dimenzionalnosti povezane s anizotropnim preklapanjem molekularnih orbitala zbog delokaliziranih π-elektrona raspodjeljenih duž organske molekule. Ukoliko se gotovo planarne molekule organiziraju na način da gledaju licem u lice (face-to-face) u određenim obrascima oblikujući kristalnu strukturu, orbitale susjednih molekula se djelomično preklapaju stvarajući uske elektronske vrpce. Iako jedinična ćelija molekularnih kristala sadrži veliki broj atoma, ona se sastoji od malog broja molekula. U najvećem broju slučajeva samo jedna elektronska vrpca presijeca Fermijevu energiju što dovodi do relativno jednostavnih Fermijevih ploha. Stoga je efektivna kulonska interakcija između elektrona slabo zasjenjena ostalim vrpcama. Ova dva faktora (uske vrpce i neefikasno zasjenjenje) čine molekularne vodiče jako koreliranim elektronskim sistemima.

Elektronska feroelektričnost, kao posljedica faznog prijelaza uređenja naboja najčešće se javlja u slabo dimeriziranim krutinama s četvrtinski popunjenim vrpcama gdje zbog zajedničkog djelovanja kulonskog unutar-molekularnog odbijanja U i prilično velike među-molekularne kulonske odbojne interakcije V dolazi do formiranja osnovnog stanja uređenja naboja. Najpoznatiji primjer ovakvog sustava je α-(BEDT-TTF)2I3, gdje je feroelektričnost kao posljedica uređenja naboja nedvojbeno dokazana u brojnim eksperimentima: pri stvaranju drugog harmonika u optičkom i THz području, raspršenju rendgenskih zraka, Raman i infracrvenoj vibracijskoj spektroskopiji, elektronskoj spinskoj i nuklearnoj magnetskoj rezonanciji te kod opažanja polarizacijskog preklopa. Dinamički odziv feroelektričnih domena detaljno je istražen uz pomoć dielektrične spektroskopije, transportnih mjerenja u ovisnosti o vremenu i jakosti polja, vremenski razlučivim mjerenjima električne vodljivosti i femtosekundnom pump-probe spektroskopijom.

Crystal structure of the charge-ordered ferroelectric α-(BEDT-TTF)2I3. (a) The BEDT-TTF molecules are arranged in the ab-layers. Sheets of I3 -anions separate these layers in c-direction. (b) View along the molecular axis reveals molecules organized on a two-dimensional triangular lattice. (c) Axonometric view of α-(BEDT-TTF)2I3 with the unit cell indicated in green.

Kristalna struktura elektronskog feroelektrika α-(BEDT-TTF)2I3. (a) BEDT-TTF molekule su uređene u ab-slojevima. Sloj I3 aniona razdvaja navedene slojeve u c smjeru. (b) Pogled duž molekularne osi otkriva molekule organizirane unutar dvodimenzionalne trokutaste rešetke. (c) Aksonometrijski pogled na α-(BEDT-TTF)2I3 s jediničnom ćelijom označenom zelenom bojom.

S druge strane, materijali s polupopunjenim vrpcama u kojima su parovi molekula (dimeri) organizirani unutar dvodimenzionalne trokutaste rešetke uglavnom su određeni s kulonskom unutar-molekularnom odbojnom interakcijom U, i ovdje Mott fizika igra važnu ulogu. U nekima od njih, unatoč relativno snažnoj interakciji izmjene ne dolazi do magnetskog uređenja: oni se smatraju kandidatima za ostvarivanje stanja kvantne spinske tekućine. Istaknuti primjer kvantne spinske tekućine koja se sastoji od električnih i magnetskih dipola je jednomolekularni Mott izolator s vodikovom vezom κ-H3(Cat-EDT-TTF)2. S druge strane, istovremeno pojavljivanje kvantne spinske tekućine i paraelektrične faze nije opaženo u BEDT-TTF spinskim tekućinama gdje je, kao posljedica svojstvenog nereda, opažen samo anomalni dielektrični maksimum. Teorijski modeli zasnovani na neredom uvjetovanim kvantnim spinskim tekućinama pokazuju da nered potpomaže udruženo djelovanje kvantih fluktuacija i trokutastih frustracija. Preostaje još izazovni zadatak potvrde razmjera i utjecaja nereda i nehomogenosti te njihove važnosti u stvaranju stanja kvantnih spinskih tekućina u organicima.

Temperature dependence of the real part of dielectric function ε of quantum spin liquidsκ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 and κ-(BEDT-TTF)2Ag2(CN)3

Temperaturna ovisnost realnog dijela dielektrične funkcije ε kvantnih spinskih tekućina κ-(BEDT-TTF)2Cu2(CN)3 i κ-(BEDT-TTF)2Ag2(CN)3.

IF Ⓒ 2017