Elektrinį laidumą gali nulemti stipri sukinio ir orbitos sąveika

Japonijos tyrėjai atskleidė, kodėl stroncio iridžio oksidas Sr₂IrO₄, iki tol laikytas kuo tikriausiu laidininku, iš tikrųjų yra izoliatorius. Manoma, kad įdomios šio pereinamojo metalo oksido elektrinės savybės gali padėti pamatus naujoviškų elektroninių prietaisų arba superlaidininkų sukūrimui.

Pagrindinis skirtumas tarp elektrinio laidininko ir izoliatoriaus yra tas, jog pastarajame elektronai negali laisvai judėti po visą kristalą. Taip nutinka dėl to, kad izoliatoriai savo energijos spektre turi vadinamąjį draudžiamosios energijos tarpą, kurio elektronai negali įveikti. Hirošis Vatanabis (Hiroshi Watanabe), Tomonoris Širakava (Tomonori Shirakava) bei Seijis Junokis (Seiji Yunoki), dirbantys RIKEN institute bei Japonijos mokslo ir technologijos agentūroje, parodė, kaip draudžiamosios energijos tarpas susidaro stroncio iridžio okside. Kiek anksčiau kiti RIKEN instituto tyrėjai nustatė, jog šis junginys yra izoliatorius.

Sr₂IrO₄ priklauso oksidų šeimai, kurios pagrindą sudaro pereinamieji metalai, turintys didelius atominius skaičius. Tokiuose pereinamuosiuose metaluose kaip, pavyzdžiui, nikelyje, varyje arba kobalte, elektronai tarpusavyje itin stipriai sąveikauja, todėl ši sąveika lemia superlaidumo arba magnetizmo susidarymą.

Junginiuose, kurių sudėtyje yra sunkesnių pereinamųjų metalų, išoriniai elektronai aplink atomą skrieja vadinamajame 5d elektronų sluoksnyje, esančiame ganėtinai toli nuo branduolio. Elektronai, priklausantys šiam sluoksniui, pasižymi neįprastai stipria sąveika tarp savo vidinės magnetinės savybės, vadinamos sukiniu, ir orbitinio judesio kiekio momento, nusakančio judėjimą aplink atomo branduolį. Šios sukinio ir orbitos sąveikos energija savo dydžiu prilygsta elektrono judėjimo energijai arba energijai, susidarančiai dėl elektrostatinės elektronų tarpusavio stūmos. Pasak tyrimui vadovavusio S. Junokio, tokia stipri sukinio ir orbitos sąveika turi didžiulės įtakos medžiagos elektroninėms savybėms. „Iš esmės 5d elektronų sistemose dėl itin trapaus šių trijų svarbiausių energijų balanso fizikine prasme gali nutikti bet kas“.

Sr₂IrO₄ energijos būsenos. Kairėje pusėje pavaizduotas visų apskaičiuotų elektroninių būsenų spektras. Draudžiamosios energijos tarpas (Y ašis) aiškiai matomas elektronams judant visomis kristalografinėmis kryptimis (X ašis). X ašies raidės žymi specifines kristalografines kryptis. Dešinėje pusėje pavaizduotas elektroninės būsenos, kurios dėl sukinio ir orbitos sąveikos sukuria draudžiamosios energijos tarpą.

Kaip šis energetinis balansas pakeičia elektronų elgesį stroncio iridžio okside tampa aišku panagrinėjus tyrėjų skaičiavimus. Pasirodo, jog stipri sukinio ir orbitos sąveika kai kurias elektronines būsenas pastumia į didesnių energijų sritį, todėl tarp elektroninių būsenų susidaro pakankamai platus draudžiamosios energijos tarpas.

Ne ką mažiau svarbu ir tai, jog mokslininkų skaičiavimai padeda atskleisti įdomią sąsają su aukštatemperatūrių puslaidininkių šeima, pasižyminčia panašiu draudžiamosios energijos tarpu. Šiose medžiagose superlaidumas gaunamas į jas įterpus papildomų atomų, dėl kurių susidaro tam tikras elektronų perteklius. Dabar tyrėjai bando išsiaiškinti, ar toks mechanizmas negalėtų suveikti ir Sr₂IrO₄ atveju. „Jeigu kam nors pavyktų pasiekti, jog Sr₂IrO₄ taptų superlaidus, tai būtų tikras perversmas, – priduria S. Junokis. – Tikimės, kad mūsų skaičiavimai pravers eksperimentuotojams“.