Chuyển pha trật tự trong các hệ điện tử tương quan mạnh

Các hệ điện tử tương quan mạnh đã và đang là đối tượng thu hút sự tập trung nghiên cứu rất lớn của các nhà vật lý. Do tính chất tương quan mạnh, bức tranh các trạng thái trật tự của hệ trở nên khác thường và thú vị. Khảo sát chuyển pha trật tự trong các hệ điện tử tương quan mạnh vì vậy rất thiết thực, ngoài hiểu biết bản chất vật lý của hệ, nó còn mở ra khả năng ứng dụng rất lớn trong công nghệ hiện đại. Với các hệ manganite pha tạp hay bán dẫn từ pha loãng (DMS), nhóm nghiên cứu đề tài “Chuyển pha trật tự trong các hệ điện tử tương quan mạnh” do Cơ quan chủ trì Trường Đại học Duy Tân cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS. TS. Phan Văn Nhâm tập trung khảo sát trạng thái chuyển pha trật tự từ, trật tự điện tích, trật tự quỹ đạo, đặc biệt là các tính chất động học spin của hệ gần các điểm chuyển pha. Trong khi đó, với các hệ thấp chiều có tương quan ghép cặp điện tử-lỗ trống như hệ có chuyển pha bán kim loại-bán dẫn, cấu trúc hai lớp hay cấu trúc vi hốc, từ đó tập trung nghiên cứu chuyển pha trạng thái ngưng tụ của exciton, polariton. Bản chất vật lý và cơ chế chuyển pha các trạng thái trật tự trong các hệ vì vậy sẽ được thảo luận một cách chi tiết.

Để nghiên cứu bản chất chuyển pha trật tự của các hệ điện tử tương quan mạnh, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp chiếu-tái chuẩn hóa (PRM) và lý thuyết trường trung bình động (DMFT). Cả hai phương pháp này đều là mở rộng của lý thuyết trường trung bình tĩnh khi các đóng góp của tương quan điện tử được kể tới. Bức tranh chuyển pha trật tự trong các hệ điện tử tương quan mạnh, vì vậy, sẽ được khảo sát một cách sâu sắc, cụ thể và chính xác hơn. So sánh với kết quả thực nghiệm hay gợi ý các nhà thực nghiệm đề xuất những phương pháp hữu hiệu để có thể quan sát được các trạng thái trật tự trong phòng thí nghiệm là điều khả thi. Nhằm thực hiện những mục tiêu của đề tài:

- Khảo sát sự chuyển pha trạng thái ngưng tụ của exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại bán dẫn hoặc các cấu trúc hai lớp như graphene hai lớp, điện môi topo hai lớp hay bán kim loại Weyl hai lớp… khi chịu sự ảnh hưởng của trường ngoài, nhiệt độ… Thông qua hoặc xác định các tham số trật tự hoặc phổ phát xạ, bức tranh chuyển pha trạng thái siêu chảy của hệ sẽ được khảo sát. Ngoài ra, chúng tôi tập trung nghiên cứu sự chuyển pha trạng thái ngưng tụ của polariton trong cấu trúc vi hốc khi hệ có trao đổi photon và điện tích với trường ngoài. Sự cạnh tranh giữa các trạng thái ngưng tụ dạng exciton hay photon với trạng thái ngưng tụ polariton sẽ được thảo luận chi tiết. Với phương pháp PRM, chúng tôi có thể thấy được đóng góp của tương quan quan trọng như thế nào đối với các quá trình chuyển pha trạng thái ngưng tụ.

- Tập trung nghiên cứu cấu trúc pha, sự hồi phục và động học spin trong hệ manganite pha tạp và DMS ở gần điểm chuyển pha trạng thái thuận-sắt từ. Qua đó, bản chất của chuyển pha trạng thái sẽ được làm rõ. Trong khuôn khổ lý thuyết DMFT, các tham số trật tự hay hàm cảm ứng sẽ được xác định, qua giản đồ pha hay cơ chế thăng giáng spin sẽ được xây dựng. Hơn nữa, chúng tôi có thể sẽ phát triển lý thuyết DMFT bằng cách giải bài toán tạp bằng phương pháp Monte Carlo lượng tử thời gian liên tục (CT-QMC) trong các bài toán chuyển pha, vì thế cạnh tranh các pha của hệ ở vùng nhiệt độ thấp sẽ được mô tả một cách chính xác, đáng tin cậy hơn.

- Góp phần thúc đẩy hướng nghiên cứu mới, nghiên cứu trạng thái exciton ngưng tụ và sự cạnh tranh với trạng thái polariton ngưng tụ ở Việt Nam. Đồng thời tiếp tục mở rộng phạm vi áp dụng của phương pháp DMFT và cải tiến phương pháp này để mô tả hệ một cách chính xác hơn đặc biệt ở vùng nhiệt độ thấp.

- Đóng góp vào công tác đào tạo thông qua nghiên cứu bằng việc hướng dẫn các nghiên cứu sinh, học viên cao học hoặc sinh viên sắp tốt nghiệp đại học.

Để thực hiện nghiên cứu, các tác giả đã sử dụng phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận như sau:

Để khảo sát chuyển pha các trạng thái trật tự và động học spin trong các hệ manganite pha tạp hay DMS, chúng tôi tiếp cận tính toán các tham số trật tự và các hàm cảm ứng trong khuôn khổ lý thuyết DMFT áp dụng cho các mô hình dạng Zener mô tả tương tác từ giữa spin của điện tử dẫn và spin định xứ. Ở giới hạn vô cùng chiều, các hàm cảm ứng hay tham số trật tự cũng như hệ số truyền dẫn spin được biểu diễn thông qua các hàm Green của hạt tải. Hàm Green của hạt tải được xác định bằng việc giải hệ phương trình tự hợp trong lý thuyết DMFT. Cạnh tranh các pha của hệ ở vùng nhiệt độ thấp sẽ được mô tả một cách chính xác, đáng tin cậy hơn khi bài toán tạp trong lý thuyết DMFT được giải bằng phương pháp CT-QMC.

Khi nghiên cứu chuyển pha các trạng thái ngưng tụ exciton và polariton trong các hệ điện tử tương quan mạnh, chúng tôi tiếp cận mô hình điện tử hai dải năng lượng có kể tới các tương tác điện tử - phonon (tương tác Holstein) hay tương tác điện tử - photon (tương tác Dicke) cũng như sự có mặt của tương tác điện tử - lỗ trống (tương tác Coulomb). Trong trường hợp 1 hoặc 2 chiều, các mô hình trên được khảo sát trong khuôn khổ lý thuyết PRM. Phụ thuộc vào nhiệt độ hay các điều kiện ngoài khác, các tham số trật tự mô 2 tả trạng thái ngưng tụ cũng như các hàm phổ phát xạ sẽ được xác định. Qua đó, chúng tôi thảo luận về bản chất ngưng tụ của hệ thông qua nghiên cứu giản đồ pha.

Kết quả của đề tài có ý nghĩa khoa học cao khi lần đầu tiên phương pháp chiếu-tái chuẩn hóa được phát triển thành công khi nghiên cứu hệ điện tử tương quan mạnh không cân bằng. Trạng thái ngưng tụ của hệ exciton-polariton-photon không cân bằng trong cấu trúc vi hốc được khảo sát. Kết quả phổ phát xạ huỳnh quang của trạng thái ngưng tụ khẳng định sự tồn tại của trạng thái ngưng tụ ở điều kiện không cân bằng, là cơ sở để các quan sát trạng thái ngưng tụ của hệ exciton-polariton-photon trong phòng thí nghiệm.

Đề tài cũng khẳng định ý nghĩa khoa học của nó khi mô tả chi tiết bức tranh chuyển pha trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại-bán dẫn. Khi có mặt của tương tác điện tử-phonon, phạm vi trạng thái ngưng tụ được mở rộng. Trạng thái ngưng tụ này bị phá hủy bởi thăng giáng nhiệt. Kết quả vì vậy cho ta có cái nhìn tổng quan về trạng thái ngưng tụ exciton, mở ra khả năng nghiên cứu trạng thái này trong các hệ có cấu trúc hai lớp.

Trên cơ sở của lý thuyết trường trung bình động, kết quả của đề tài có ý nghĩa khoa học cao khảo sát chi tiết bức tranh chuyển pha trạng thái thuận sắt từ trong bán dẫn từ pha loãng. Trên cơ sở khảo sát hàm cảm ứng spin tĩnh, cơ chế thăng giáng spin của hệ xung quanh điểm chuyển pha được thảo luận. Đặc biệt, với kết quả của tán xạ Raman, sự hình thành trạng thái polaron từ được đề xuất, là cơ sở để mô tả bản chất chuyển pha thuận-sắt từ trong hệ. Kết quả vì vậy có ý nghĩa cao khi mở rộng, nghiên cứu bức tranh thăng giáng, hồi phục spin trong các hệ có pha tạp từ.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16466/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)