Dino Novko, znanstveni suradnik Instituta za fiziku, objavio je rad u prestižnom časopisu Communications Physics, u kojem se dokazuje kako adijabatska Born-Oppenheimer aproksimacija ne vrijedi u dihalkogenidima prijelaznih metala. Naime, rezultati pokazuju da se u tim materijalima aktivira jaka neadijabatska renormalizacija fonona uslijed Lifshitzovog prijelaza. Poznavanje tih zamršenih dinamičkih efekata od ključne je važnosti za potpuno razumijevanje karakterizacije dopiranih dvodimenzionalnih nano-uređaja pomoću Raman spektroskopije.

Broken adiabaticity induced by Lifshitz transition in MoS₂ and WS₂ single layers

Dino Novko, Communications Physics 3, 30 (2020).

DOI: 10.1038/s42005-020-0299-1

Jedna od najimpresivnijih posljedica dinamičkog međudjelovanja elektrona i fonona na vibracijski spektar rešetke je neadijabatska renormalizacija frekvencije. Razumijevanje mikroskopskih procesa koji stoje iza ovih spektralnih promjena od velikog je značaja. Primjerice, u tranzistorima koji se temelje na grafenu, gdje adijabatska Born-Oppenheimer aproksimacija više ne vrijedi, uračunavanje neadijabatske interakcije presudno je za kvantitativne procjene koncentracije elektrona pomoću Ramanove spektroskopije. Ti se dinamički učinci, međutim, smatraju prilično rijetkim i prisutni su samo u nekoliko sustava, poput grafena, spojeva interkaliranog grafita, MgB₂ te dijamanta dopiranog borom. Elektron-fonon vezanje u drugim slojevitim i atomsko tankim materijalima smatra se potpuno adijabatsko. Vjeruje se da poluvodički dihalkogenidi prijelaznih metala, dopirani šupljinama i elektronima, spadaju u potonji, adijabatski režim. Suprotno uvriježenom mišljenju, ovdje se pokazuje nevjerojatan slom adijabatske aproksimacije kod dopiranih MoS₂ i WS₂ jednoslojeva. Odgovarajući neadijabatski mehanizam još je zamršeniji nego u grafenu. Naime, nagli prijelaz iz adiabatskog u neadijabatski režim te pripadajuća renormalizacija fononske frekvencije događaju se uslijed Lifshitzovog prijelaza, to jest kada Fermi nivo siječe dvije ili više dolina (eng. “valleys”) vodljive ili valentne vrpce. Nadalje, topologija tih relevantnih dolina, a samim time i količina koncentracije nosioca naboja koja je potrebna kako bi se popunilo više dolina i induciralo neadijabatske efekte, je određena visoko nelokalnom elektron-elektron interakcijom i spin-orbit vezanjem. Također, ovi značajni dinamički učinci praćeni su intenzivnim elektron-šupljina raspršenjima zbog elektron-fonon interakcije, koja su odgovorna za eksperimentalno dobivene promjene širine linije fonona uslijed dopiranja. Sve u svemu, prezentirani rezultati dinamičkih efekata u dopiranim dihalkogenidima prijelaznih metala bitni su, ne samo za razumijevanje odgovarajućih Raman mjerenja, već i za dešifriranje drugih fizičkih fenomena opaženih u tim dvodimenzionalnim materijalima gdje elektron-fonon vezanje igra presudnu ulogu, npr. fononski ograničena mobilnost te supravodljivost.