강상 관계 물질

강상 관계 물질(strongly correlated material)은 절연체와 전자 재료를 포함하는 광범위한 화합물 종류이며, 금속-절연체 전이, 무거운 페르미온 거동, 반쪽금속성, 스핀-전하 분리와 같이 특이한(종종 기술적으로 유용한) 전자적 및 자기적 특성을 보인다. 이러한 물질을 정의하는 본질적인 특징은 그들의 전자 또는 스피논의 행동이 비상호작용적 실체라는 관점에서 효과적으로 설명될 수 없다는 것이다. 강상 관계 물질의 전자적(페르미온) 구조에 대한 이론적 모델은 정확성을 위해 전자적(페르미온) 상관관계를 포함해야 한다. 최근에는 양자 물질이라는 용어도 강상 관계 물질 등을 지칭하는 데 사용된다.

전이 금속 산화물
많은 전이 금속 산화물은 이 부류에 속하며 행동에 따라 세분될 수 있다. 예를 들어 고온 초전도체, 스핀트로닉스, 다강체, 모트 절연체, 스핀 페이얼스 물질, 무거운 페르미온 물질, 준저차원 물질 등이 있다. 가장 집중적으로 연구되는 효과는 아마도 도핑된 구리 산화물에서의 고온 초전도체일 것이다. 예를 들어 La2−xSrxCuO4가 있다. 다른 질서화 또는 자기 현상 및 많은 전이 금속 산화물에서 온도 유도 상전이도 "강상 관계 물질"이라는 용어 아래에 함께 묶인다.

전자 구조
일반적으로 강상 관계 물질은 불완전하게 채워진 d- 또는 f-전자 껍질을 가지며 좁은 에너지 띠를 갖는다. 물질 내의 어떤 전자도 다른 전자들의 평균적인 움직임의 "바다"에 있다고 더 이상 간주할 수 없다(평균장 이론으로도 알려져 있다). 각 단일 전자는 그 이웃에 복잡한 영향을 미친다.

강한 상관관계라는 용어는 밀도 범함수 이론의 국소 밀도 근사법 (LDA) 또는 하트리-폭 이론과 같은 단순한 단일 전자 이론으로는 잘 설명되지 않는 (종종 질적으로도 정확하지 않은 방식) 고체 내 전자의 행동을 지칭한다. 예를 들어, 겉보기에 단순한 물질인 NiO는 부분적으로 채워진 3d 띠를 가지고 있어(Ni 원자는 가능한 10개의 3d 전자 중 8개를 가지고 있다) 좋은 도체일 것으로 예상된다. 그러나 d 전자 사이의 강한 쿨롱 반발력 (상관 효과)은 NiO를 오히려 넓은 띠틈 절연체로 만든다. 따라서 강상 관계 물질은 단순히 자유 전자와 같지도 않고 완전히 이온성도 아닌, 이 둘이 혼합된 전자 구조를 가진다.

이론
강한 전자 상관관계로 인한 현상을 설명하기 위해 LDA의 확장(LDA+U, GGA, SIC, GW 등)과 단순화된 모델 해밀토니언(예: 허버드 모형과 같은 모델)이 제안되고 개발되었다. 그중 동적 평균장 이론 (DMFT)은 상관된 물질의 주요 특징을 성공적으로 포착한다. LDA와 DMFT를 모두 사용하는 계획은 상관된 전자의 분야에서 많은 실험 결과를 설명한다.

구조 연구
실험적으로는 광학 분광법, 고에너지 전자 분광법, 공명 광전자 방출, 그리고 최근에는 공명 비탄성 (경질 및 연질) X선 산란 (RIXS) 및 중성자 분광학이 강상 관계 물질의 전자 및 자기 구조를 연구하는 데 사용되었다. 이러한 기술로 관찰되는 스펙트럼 특성 중 단일 전자 상태 밀도로 설명되지 않는 것들은 종종 강한 상관 효과와 관련이 있다. 실험적으로 얻은 스펙트럼은 특정 모델의 예측과 비교되거나 매개변수 집합에 대한 제약을 설정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 소위 Zaanen–Sawatzky–Allen 다이어그램 내에서 전이 금속 산화물의 분류 체계가 확립되었다.

응용
상관 현상의 조작 및 활용은 초전도 자석 및 자기 저장 (CMR) 기술과 같은 응용 분야를 가진다. VO2의 금속-절연체 전이와 같은 다른 현상들은 방의 난방/냉방 요구 사항을 줄이기 위한 스마트 창문을 만드는 수단으로 탐구되었다. 또한, LaTiO3와 같은 모트 절연체 물질의 금속-절연체 전이는 띠 채움을 조정하여 재료의 급격한 전도도 변화를 활용하는 재래식 전계 효과 트랜지스터 구성을 사용하여 트랜지스터를 만드는 데 잠재적으로 사용될 수 있다. 모트 절연체의 금속-절연체 전이를 이용하는 트랜지스터는 종종 모트 트랜지스터라고 불리며, 이전에도 VO2를 사용하여 성공적으로 제작되었지만, 작동을 위해 게이트 물질로 이온 액체에 의해 유도되는 더 큰 전기장이 필요했다.

 같이 보기 
 전자 상관관계
 창발적 행동

 각주 

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 외부 링크 


분류:응집물질물리학
분류:양자역학
분류:재료과학
분류:자기