Une étude révèle les mécanismes fondamentaux sous-jacents à la formation des polarons dans les cristaux atomiques 2D

Les polarons sont des quasi-particules localisées qui résultent de l’interaction entre les particules fermioniques et les champs bosoniques. Plus précisément, les polarons se forment lorsque des électrons individuels dans les cristaux déforment leur réseau atomique environnant, produisant des objets composites qui se comportent davantage comme des particules massives que comme des ondes électroniques.

Feliciano Giustino et Weng Hong Sio, deux chercheurs de l’Université du Texas à Austin, ont récemment mené une étude sur les processus qui sous-tendent la formation des polarons dans les matériaux 2D. Leur article, publié dans Physique naturelledécrit certains mécanismes fondamentaux associés à la formation de ces particules qui n’avaient pas été identifiés dans les travaux précédents.

“En 2019, nous avons développé un nouveau cadre théorique et informatique pour étudier les polarons”, a déclaré Feliciano Giustino, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, à Phys.org. “Une chose qui a attiré notre attention est que de nombreux articles expérimentaux discutent des polarons dans les matériaux en vrac 3D, mais nous n’avons pu trouver que quelques articles rapportant des observations de ces particules en 2D. Nous nous demandions donc s’il s’agissait simplement d’une coïncidence, ou bien les polarons en 2D sont plus rares ou plus insaisissables qu’en 3D, et notre article récent aborde cette question.”

Initialement, Giustino et Sio ont entrepris de calculer la forme (c’est-à-dire la fonction d’onde) et la stabilité (c’est-à-dire l’énergie) de polarons localisés dans des matériaux 2D à l’échelle atomique. Il s’agit d’une entreprise difficile, car elle implique de décrire tous les atomes et électrons impliqués dans la formation des polarons, ce qui ne peut pas encore être fait efficacement à l’aide d’ordinateurs.

“Par exemple, les polarons considérés dans cette étude impliquent jusqu’à 30 000 atomes”, a expliqué Giustino. “Notre stratégie était de reformuler le problème dans le langage de la théorie des perturbations fonctionnelles de la densité, une technique qui a été utilisée avec succès pendant de nombreuses années pour étudier les vibrations du réseau (c’est-à-dire les phonons). Cette technique nous permet de capturer la physique des polarons tout en contournant le besoin de calculs directs avec des milliers d’atomes. L’autre ingrédient important était de comprendre comment décrire l’interaction entre les électrons et les vibrations en 2D.

Dans un article publié l’année dernière, Giustino et Sio ont présenté une nouvelle approche pour décrire l’interaction entre les électrons et les vibrations dans les matériaux 2D, qui consiste essentiellement à déterminer l’électrostatique des dipôles ponctuels en 2D. Dans leur étude récente, ils ont utilisé cette approche avec la théorie des perturbations fonctionnelles de la densité pour étudier les mécanismes qui sous-tendent la formation des polarons dans les cristaux 2D.

“Nous avons clarifié les mécanismes fondamentaux par lesquels un polaron se forme dans les matériaux 2D, donc ce travail sera utile pour comprendre ces particules plus largement”, a déclaré Giustino. “En particulier, au-delà de nos calculs de mécanique quantique lourds, nous avons développé un modèle simple qui nous permet de dessiner une carte de l’endroit où trouver ces particules et quelles seraient leurs propriétés.”

En utilisant le modèle qu’ils ont créé, Giustino et Sio ont pu déterminer la structure dans l’espace réel d’un polaron de trou dans le nitrure de bore hexagonal qui a été signalé dans des recherches récentes. De plus, ils ont découvert des conditions et des lois cruciales qui sous-tendent la formation de polarons pour se former dans des cristaux 2D.

“Les polarons attirent de plus en plus l’attention car ils se trouvent dans les matériaux utilisés pour les écrans OLED, la photocatalyse et même les matériaux des futurs ordinateurs neuromorphiques. Nous espérons donc que cette étude aidera les chercheurs à mieux comprendre ces particules et peut-être même à ajuster leurs propriétés. réaliser des matériaux et des dispositifs plus efficaces », a ajouté Giustino. “Nous prévoyons maintenant d’utiliser ces outils pour étudier une famille plus large de matériaux. Nous aimerions également comprendre comment ces particules réagissent aux champs électriques et magnétiques et comment on pourrait tirer parti de leurs propriétés uniques pour réaliser de nouvelles fonctionnalités.”