RICERCA ITALIANA     

Sistemi elettronici fortemente correlati con interazioni competitive

Università degli Studi di Pavia

Abstract

Si prevede di studiare diversi aspetti di fondamento di sistemi elettronici fortemente correlati in cui vi siano interazioni competitive in grado di dare luogo a transizioni di fase verso peculairi stati quantistici. Questi aspetti verranno studiati per tre sistemi modello per i quali è possibile sintetizzare composti che ne costituiscono i prototipi, consentendone sia lo studio a livello teorico che sperimentale. Tali sistemi sono, da una parte gli isolanti antiferromagnetici planari con interazioni di scambio competitive, i fermioni pesanti dove l’accoppiamento Kondo compete con l’accoppiamento RKKY fra i momenti magnetici localizzati e, infine, metalli a forte correlazione che presentano una frustrazione dell’accoppiamento antiferromagnetico. Il fine ultimo di questo progetto è quello di ottenere una descrizione soddisfacente dello stato fondamentale di questi sistemi e della loro suscettività di spin generalizzata. In particolare, di poterne descrivere il comportamento al variare di diversi parametri controllabili sperimentalmente, come la pressione e la stechiometria chimica, che consentono di variare il rapporto fra le interazioni competitive. Si prevede di potere raggiungere tale scopo attraverso una collaborazione sinergica fra due Unità che si occupano con successo da diversi anni dello studio teorico e sperimentale di sistemi elettronici fortemente correlati.

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Pietro CARRETTA Università degli Studi di PAVIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Questo programma di ricerca si propone di chiarire diversi aspetti di fondamento dei sistemi elettronici fortemente correlati in cui vi siano interazioni competitive in grado di dare luogo a transizioni di fase verso peculiari stati quantistici. Questi aspetti verranno studiati per tre sistemi modello per i quali esistono dei composti che ne costituiscono i prototipi. Tali sistemi sono, da una parte gli isolanti antiferromagnetici planari con interazioni di scambio competitive fra primi e secondi vicini, dove il grado di frustrazione è tale da indurre la scomparsa di un ordine a lungo raggio anche a temperatura T=0. Dall’altra vi sono i fermioni pesanti dove l’accoppiamento Kondo, o meglio l’ampiezza della larghezza di banda efficace, è dello stesso ordine di grandezza e compete con l’accoppiamento RKKY fra i momenti magnetici localizzati associati agli elettroni f. Infine, vi sono metalli che oltre a essere caratterizzati da una correlazione rilevante presentano una frustrazione dell’accoppiamento antiferromagnetico. Il fine ultimo di questo progetto è quello di ottenere, attraverso una collaborazione sinergica fra le due Unità, una descrizione soddisfacente dello stato fondamentale e della dipendenza dalla temperatura e del campo magnetico della suscettività di spin generalizzata. In particolare, di studiarne il comportamento al variare di alcuni parametri controllabili sperimentalmente, come la pressione e la stechiometria chimica, che >>>

Risultati parziali attesi

Si prevede, per quanto rigurda

· gli antiferromagneti planari a S=1/2 con frustrazione dell’accoppiamento fra primi (J1) e secondi vicini (J2) di
1. potere chiarire come si modifica lo stato fondamentale al variare del grado di frustrazione,
2. evidenziare la rilevanza dell’accoppiamento spin-reticolo nel determinare lo stato fondamentale, al variare di J2/J1;
3. delineare il comportamento della dinamica di spin al variare del grado di frustrazione;
4. comprendere gli effetti della diluizione di spin sul diagramma di fase

· i metalli a fermioni pesanti in prossimità a un punto critico (CeCu6-xAux) di
1. chiarire se in correspondenza del punto critico vi sia una localizzazione degli elettroni f e quale sia lo stato fondamentale per x>0.1,
2. modellizzare la dinamica di spin al variare di x e T,
3. comprendere l’origine della gap nelle eccitazioni di spin indotta dal campo magnetico.

· i metalli fortemente correlati con frustrazione dell’accoppiamento antiferromagnetico (NaxCoO2) di
1. chiarire quale tipo di ordine di carica si instaura sotto T*~250-280 K,
2. modellizzare la dinamica di spin al variare di T.

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Nell’ultimo decennio si è assistito a una rinascita di interesse per lo studio dei sistemi elettronici fortemente correlati nei quali si realizzano peculiari stati quantistici a seguito della competizione fra interazioni di stessa o diversa natura. A testimonianza di ciò va menzionato che ogni anno vengono organizzate diverse conferenze a livello internazionale su questa tematica (SCES, ITCP Workshop on Strongly Correlated Electron Systems, Highly Frustrated Magnets Conference, etc…), alle
quali partecipano diverse centinaia di ricercatori di tutto il mondo. I gruppi che costituiscono le Unità 1 e 2 sono a livello nazionale fra quelli che hanno ottenuto i risultati di maggiore rilievo sui sistemi elettronici fortemente correlati in campo sperimentale e teorico, rispettivamente.

L'elemento che caratterizza i sistemi fortemente correlati e` la competizione fra la tendenza degli elettroni a delocalizzarsi, dando origine a bande coerenti, e la correlazione locale che al contrario tende a impedirne il movimento e obbliga gli elettroni ad ottimizare l'energetica locale. Questa competizione è alla base di diverse anomalie osservate in materiali fortemente correlati, come la superconduttivita` ad alta temperatura critica e la magnetoresistenza colossale nelle manganiti. Nel caso in cui la repulsione coulombiana sia talmente forte da fare localizzare gli elettroni può tuttavia restare una entropia residua associata ai gradi di libertà di spin e/o >>>