Transición metal-aislante

Este artículo necesita citas adicionales para su verificación . Por favor, ayude a mejorar este artículo añadiendo citas de fuentes fiables . El material sin fuentes puede ser cuestionado y eliminado. Buscar fuentes:  «Transición metal-aislante» – noticias  · periódicos  · libros  · académico  · JSTOR ( marzo de 2020 ) ( Aprenda cómo y cuándo eliminar este mensaje )

Las transiciones metal-aislante son transiciones de un material de metal (material con buena conductividad eléctrica de cargas eléctricas ) a aislante (material donde la conductividad de cargas se suprime rápidamente). Estas transiciones se pueden lograr ajustando varios parámetros ambientales como la temperatura ^{[1] ,} la presión ^[2] o, en el caso de un semiconductor , el dopaje .

La distinción básica entre metales y aislantes fue propuesta por Hans Bethe , Arnold Sommerfeld y Felix Bloch en 1928-1929. Distinguía entre metales conductores (con bandas parcialmente llenas) y aislantes no conductores. Sin embargo, en 1937 Jan Hendrik de Boer y Evert Verwey informaron que muchos óxidos de metales de transición (como NiO) con una banda d parcialmente llena eran malos conductores, a menudo aislantes. En el mismo año, Rudolf Peierls afirmó la importancia de la correlación electrón-electrón . Desde entonces, estos materiales, así como otros que muestran una transición entre un metal y un aislante, han sido ampliamente estudiados, por ejemplo, por Sir Nevill Mott , en cuyo honor se denominó al estado aislante aislante de Mott .

La primera transición metal-aislante que se encontró fue la transición de Verwey de magnetita en la década de 1940. ^[3]

La estructura clásica de bandas de la física del estado sólido predice que el nivel de Fermi se encuentra en una brecha de banda para los aislantes y en la banda de conducción para los metales, lo que significa que se observa un comportamiento metálico para compuestos con bandas parcialmente llenas. Sin embargo, se han encontrado algunos compuestos que muestran un comportamiento aislante incluso para bandas parcialmente llenas. Esto se debe a la correlación electrón-electrón , ya que los electrones no pueden verse como no interactuantes. Mott considera un modelo de red con solo un electrón por sitio. Sin tener en cuenta la interacción, cada sitio podría estar ocupado por dos electrones, uno con espín hacia arriba y otro con espín hacia abajo. Debido a la interacción, los electrones sentirían una fuerte repulsión de Coulomb, que, según Mott, divide la banda en dos. Tener un electrón por sitio llena la banda inferior mientras que la banda superior permanece vacía, lo que sugiere que el sistema se convierte en un aislante. Este estado aislante impulsado por la interacción se conoce como aislante de Mott . El modelo de Hubbard es un modelo simple comúnmente utilizado para describir las transiciones metal-aislante y la formación de un aislante Mott.

Las transiciones metal-aislante (MIT) y los modelos para aproximarlas se pueden clasificar según el origen de su transición.

• Transición de Mott : La transición más común, que surge de una intensa correlación electrón-electrón. ^[4]
• Transición de Mott-Hubbard: una extensión que incorpora el modelo de Hubbard, aproximando la transición desde el estado paramagnético correlacionado. ^[5]
• Transición de Brinkman-Rice: aproximación a la transición desde el estado metálico sin interacción, donde cada orbital está medio lleno. ^[5]
• Teoría del campo medio dinámico : una teoría que se adapta a los modelos de transición de Mott-Hubbard y Brinbkman-Rice.
• Transición de Peierls : En algunas ocasiones, la propia red a través de interacciones electrón-fonón puede dar lugar a una transición. ^[6] Un ejemplo de aislante de Peierls es el bronce azul K _0.3 MoO ₃ , que experimenta la transición a T = 180 K. ^[6]
• Transición de Anderson : Cuando un comportamiento aislante en los metales surge a partir de distorsiones y defectos reticulares. ^[7]

El modelo de catástrofe de polarización describe la transición de un material de aislante a metal. Este modelo considera que los electrones de un sólido actúan como osciladores y las condiciones para que se produzca esta transición están determinadas por el número de osciladores por unidad de volumen del material. Dado que cada oscilador tiene una frecuencia ( ω ₀ ), podemos describir la función dieléctrica de un sólido como:

${\displaystyle \epsilon (\omega )=1+{\frac {\frac {Ne^{2}}{\epsilon _{0}m}}{\omega _{0}^{2}-{\frac {Ne^{2}}{3\epsilon _{0}m}}-\omega ^{2}-i{\frac {\omega }{\tau }}}}}$

donde ε ( ω ) es la función dieléctrica, N es el número de osciladores por unidad de volumen, ω ₀ es la frecuencia de oscilación fundamental, m es la masa del oscilador y ω es la frecuencia de excitación.

Para que un material sea un metal, la frecuencia de excitación ( ω ) debe ser cero por definición, ^[2] lo que nos da entonces la constante dieléctrica estática,

${\displaystyle \epsilon _{\mathrm {s} }=1+{\frac {\frac {Ne^{2}}{\epsilon _{0}m}}{\omega _{0}^{2}-{\frac {Ne^{2}}{3\epsilon _{0}m}}}}}$

(1)

donde ε _s es la constante dieléctrica estática. Si reordenamos la ecuación (1) para aislar el número de osciladores por unidad de volumen obtenemos la concentración crítica de osciladores ( N _c ) en la que ε _s se vuelve infinita, lo que indica un sólido metálico y la transición de un aislante a un metal.

${\displaystyle N_{\mathrm {c} }={\frac {3\epsilon _{0}m\omega _{0}^{2}}{e^{2}}}}$

Esta expresión crea un límite que define la transición de un material de aislante a metal. Este fenómeno se conoce como catástrofe de polarización.

El modelo de catástrofe de polarización también teoriza que, con una densidad suficientemente alta y, por lo tanto, un volumen molar suficientemente bajo, cualquier sólido podría volverse metálico. ^[2] Se puede predecir si un material será metálico o aislante tomando la relación R / V , donde R es la refractividad molar , a veces representada por A , y V es el volumen molar. En los casos en que R / V es menor que 1, el material tendrá propiedades no metálicas o aislantes, mientras que un valor R / V mayor que uno produce un carácter metálico. ^[8]

• Transición superconductor-aislante  : tipo de transición de fase cuántica

• Mott, NF (1 de octubre de 1968). "Transición metal-aislante". Reseñas de Física Moderna . 40 (4): 677–683. Bibcode :1968RvMP...40..677M. doi :10.1103/RevModPhys.40.677.
• Mott, N. (1974). Transiciones entre metales y aislantes . Taylor & Francis Ltd. ISBN 978-0-85066-079-1.
• Imada, M.; Fujimori, Tokura (1998). "Transiciones metal-aislante". Rev. Mod. Phys . 70 (4): 1039. Bibcode :1998RvMP...70.1039I. doi :10.1103/revmodphys.70.1039.http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v70/i4/p1039_1