Chuyển Pha Kim Loại - Điện Môi Từ Trong Một Số Hệ Điện Tử Tương Quan Trao Đổi Kép

Đối với hệ electron không tương tác, mức năng lượng Fermi luôn nằm trong vùng dẫn, do vậy hệ luôn ở trạng thái kim loại. Vì thế, chuyển pha kim loại - điện môi thường xảy ra khi có tương tác gồm các electron hay giữa các electron với các yếu tố khác như tương tác với tạp hay tương tác với phonon. Tương quan điện tử có vai trò quan trọng trong việc hình thành khe năng lượng, yếu tố quyết định trạng thái điện môi. Luận án đi sâu vào nghiên cứu các loại điện môi khác nhau như điện môi Mott, điện môi Anderson và điện môi tô pô, mỗi loại có cơ chế hình thành khe năng lượng riêng. Nghiên cứu chuyển pha MIT đồng thời xem xét các tính chất từ tính của vật liệu, đặc biệt trong bối cảnh phát hiện ra các chất điện môi tô pô từ tính gần đây.

Các chất điện môi tô pô từ tính đang thu hút sự quan tâm lớn của cộng đồng khoa học. Luận án tập trung vào việc nghiên cứu các điều kiện để trạng thái điện môi tô pô từ tính có thể xảy ra trong một cơ chế hình thành từ tính cụ thể là cơ chế trao đổi kép. Sự phát hiện các pha vật liệu mới và phân loại chúng có ý nghĩa quan trọng trong vật lý các chất đông đặc. Nếu trước đây các pha được mô tả bằng thông số trật tự trong lý thuyết chuyển pha của Landau [20], thì hiện nay, pha điện môi tô pô mới được khám phá nằm ngoài khuôn khổ của lý thuyết này.

Một thách thức quan trọng là xem xét ảnh hưởng của tạp chất và sự mất trật tự trong mạng tinh thể đến chuyển pha kim loại - điện môi. Các nghiên cứu hiện tại thường giả định sự phân bố tuần hoàn của tạp chất, bỏ qua yếu tố ngẫu nhiên và tác động của nó lên tính chất tô pô và từ tính. Các nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã chỉ ra vai trò của mất trật tự và khả năng chuyển pha giữa pha có hiệu ứng Hall dị thường lượng tử và pha định xứ Anderson. Gần đây, nghiên cứu về các pha điện môi tô pô và các pha trật tự tầm xa trong các mô hình lượng tử chẳng hạn như mô hình Haldane, mô hình Kane - Mele hay mô hình trao đổi kép dưới tác động của các yếu tố như pha tạp từ kèm theo mất trật tự, tương tác trao đổi spin, tương quan điện tử, từ trường hay sự dịch chuyển các mức năng lượng trong mạng tinh thể đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.

Các phương pháp tính toán hiện tại, đặc biệt là các phương pháp dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), thường gặp khó khăn trong việc mô tả chính xác các tương quan điện tử mạnh. Do đó, cần phải sử dụng các phương pháp tiên tiến hơn như lý thuyết trường trung bình động (DMFT) hoặc các phương pháp Monte Carlo để đạt được độ chính xác cao hơn. Ví dụ như không có tương quan điện tử, chất điện môi Mott không thể hình thành [1]. Mặc dù các tính chất từ tính có thể hiểu được khi bỏ qua tương quan điện tử, nhưng nếu bỏ qua tương quan điện tử các tính chất từ tính có thể không chính xác, hay thậm chí cho kết quả không đúng.

Phương pháp dựa trên hàm Green có nhiều ưu điểm so với việc tính toán trực tiếp các bất biến tô pô. Thứ nhất, nó đơn giản và dễ thực hiện hơn, đặc biệt đối với các hệ tương tác mạnh. Thứ hai, nó cung cấp thông tin trực tiếp về cấu trúc điện tử và sự tồn tại của các trạng thái biên, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển pha kim loại - điện môi. Thứ ba, nó không yêu cầu tính toán phức tạp về các bất biến tô pô.

Luận án trình bày các ví dụ cụ thể về ứng dụng của phương pháp hàm Green cho các hệ điện tử tương quan, bao gồm các hệ có tương tác trao đổi kép và tạp chất từ. Kết quả cho thấy phương pháp này có khả năng dự đoán chính xác các pha tô pô và các tính chất của chúng, đồng thời cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế tương tác giữa các electron và tạp chất. Gần đây, nghiên cứu về các pha điện môi tô pô và các pha trật tự tầm xa trong các mô hình lượng tử chẳng hạn như mô hình Haldane, mô hình Kane - Mele hay mô hình trao đổi kép dưới tác động của các yếu tố như pha tạp từ kèm theo mất trật tự, tương tác trao đổi spin, tương quan điện tử, từ trường hay sự dịch chuyển các mức năng lượng trong mạng tinh thể đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.

Kết quả cho thấy mật độ và sự phân bố của tạp từ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất của các pha tô pô. Ở mật độ tạp từ thấp, các pha tô pô có thể tồn tại ổn định. Tuy nhiên, khi mật độ tạp từ tăng lên, sự mất trật tự và tính không đồng nhất của tạp từ có thể làm suy yếu các tính chất tô pô, dẫn đến chuyển pha sang các trạng thái khác. Đồng thời, nhóm cũng xây dựng một mô hình lý thuyết tối thiểu và giải thích hiệu ứng Hall dị thường lượng tử ngoài phạm vi gần đúng trường trung bình cổ điển [14]. Nghiên cứu của nhóm giả định các tạp từ được bố trí tuần hoàn tại các nút của mạng tinh thể.

Nghiên cứu cũng khám phá mối quan hệ chặt chẽ giữa tạp từ và trật tự từ. Sự có mặt của tạp từ có thể tạo ra các moment từ cục bộ, tương tác với các electron dẫn và dẫn đến sự hình thành các trật tự từ như sắt từ hoặc phản sắt từ. Các trật tự từ này có thể ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử và làm thay đổi các tính chất tô pô của vật liệu. Quá trình trao đổi có lợi về mặt năng lượng khi electron trao đổi không thay đổi hướng spin và quy tắc Hund dẫn đến các moment từ của các ion ở trạng thái có hóa trị khác nhau song song hoặc đối song và tạo ra các trạng thái sắt từ hay phản sắt từ [19].

Chuyển pha MIT có thể được sử dụng để tạo ra các thiết bị chuyển mạch siêu nhanh và tiết kiệm năng lượng. Vật liệu chuyển pha có thể chuyển đổi giữa trạng thái dẫn điện và trạng thái cách điện dưới tác động của điện áp hoặc dòng điện, cho phép tạo ra các thiết bị chuyển mạch với tốc độ chuyển đổi cực nhanh. Các thiết bị bộ nhớ điện trở chuyển mạch (ReRAM) dựa trên hiệu ứng chuyển pha MIT có tiềm năng thay thế các công nghệ bộ nhớ hiện tại do tốc độ đọc/ghi nhanh, mật độ lưu trữ cao và khả năng tiết kiệm năng lượng.

Tính nhạy cảm của chuyển pha MIT đối với các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng và áp suất có thể được khai thác để tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao. Ví dụ, các cảm biến nhiệt độ dựa trên vật liệu chuyển pha có thể phát hiện những thay đổi nhỏ về nhiệt độ với độ chính xác cao. Ngoài ra, chuyển pha MIT cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị quang điện, chẳng hạn như các tấm pin mặt trời có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng một cách hiệu quả hơn.

Việc tìm kiếm và phát triển các vật liệu mới có tính chất chuyển pha kim loại - điện môi ưu việt là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các vật liệu này cần có độ nhạy cao đối với các yếu tố bên ngoài, tốc độ chuyển pha nhanh và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau. Vanadi oxit (VO2), Niken oxit (NiO), Titan oxit (TiO2), SrTiO3, LaAlO3/SrTiO3 là những vật liệu tiềm năng.

Cần tập trung vào việc phát triển các thiết bị thực tế dựa trên chuyển pha MIT. Điều này đòi hỏi sự hợp tác giữa các nhà khoa học vật liệu, kỹ sư điện tử và các nhà sản xuất để tạo ra các thiết bị có hiệu suất cao, độ tin cậy tốt và giá thành hợp lý. Các nghiên cứu trên thế giới thường sử dụng tính toán nguyên lý đầu cho vật liệu cụ thể để xác định cấu trúc điện tử, sau đó đưa thêm các yếu tố như tương tác trao đổi spin giữa electron và tạp từ hay liên kết spin - quỹ đạo để nghiên cứu chất điện môi tô pô từ.