El orden de carga es un estado común con simetría rota en sistemas electrónicos fuertemente correlacionados, presente en óxidos de metales de transición, conductores orgánicos y materiales cuánticos de baja dimensionalidad. Sus propiedades de equilibrio están bien estudiadas, pero la dinámica fuera del equilibrio y el control del orden de carga siguen poco desarrollados. A diferencia del orden magnético, para el cual existe una teoría desarrollada de dinámica de espines y métodos de conmutación de la magnetización, para el orden de carga no hay una base microscópica. Un experimento reciente de conmutación eléctrica de la polaridad del orden de carga en LuFe2O4 mostró una analogía fenomenológica con la conmutación de la magnetización por corriente, pero la conexión microscópica seguía sin estar clara. Este trabajo llena ese vacío derivando la dinámica de pseudospín del orden de carga a partir de un modelo microscópico.
El punto de partida es el modelo de Hubbard extendido con repulsión de Coulomb local (U) e interlugar (V). En el régimen de fuerte ordenamiento de carga cerca del llenado medio, los estados locales se reducen a un sitio vacío |0⟩ y un sitio doblemente ocupado |2⟩. Estos estados forman un pseudospín-1/2, donde la componente longitudinal τz describe la configuración de carga local y las componentes transversales describen transiciones cuánticas entre ellos. Mediante la transformación de Schrieffer-Wolff en segundo orden en los saltos, se obtiene un hamiltoniano efectivo de pseudospines con intercambio anisotrópico: el acoplamiento antiferromagnético de Ising Jz estabiliza el orden de carga, y el acoplamiento transversal ferromagnético J⊥ permite la transferencia coherente de pares. A continuación se introduce un campo eléctrico externo, que actúa como un campo longitudinal escalonado sobre las dos subredes de pseudospines. La dinámica se describe mediante ecuaciones de Landau-Lifshitz-Gilbert con amortiguamiento fenomenológico de Gilbert. En la aproximación de macropseudospín se introducen variables colectivas: el vector de orden de carga N (diferencia de pseudospines de las subredes) y la componente homogénea conjugada M (su suma). Para un orden de carga fuerte, M se elimina y se obtiene una ecuación de movimiento cerrada para N, análoga a la ecuación del vector de Néel en un antiferromagneto.
Se obtiene una ecuación de movimiento para el vector de orden de carga N, que contiene un término inercial con una masa efectiva dependiente del campo eléctrico y describe precesión y amortiguamiento. La linealización cerca del estado de equilibrio da dos modos circulares con frecuencias que pueden sintonizarse con el campo eléctrico. El campo crítico de conmutación Ec se determina por la condición de pérdida de estabilidad de las fluctuaciones transversales: para E = Ec, la frecuencia del modo colectivo se anula y el amortiguamiento cambia de signo, lo que conduce a un crecimiento exponencial de las fluctuaciones y a la inversión de la polaridad del orden de carga. Para parámetros típicos (momento dipolar p0 ~ eÅ, ZJz ≈ 30 meV, ZJ⊥ ≈ 10 meV), la estimación da |Ec| ≈ $10^6$ V/cm y una frecuencia del modo colectivo ΩCO/2π ≈ 3.4 THz. Estos valores son comparables con los campos coercitivos de los ferroeléctricos y las frecuencias de las excitaciones ferronas. La simulación numérica con un campo E/Ec = 1.2 muestra que la componente longitudinal Nz oscila y pasa de +τ0 a −τ0, mientras que la componente transversal Nx primero crece debido a la inestabilidad y luego se amortigua. Con un campo homogéneo hz distinto de cero (por ejemplo, debido a dopaje), la trayectoria adquiere un carácter de nutación, análogo a la dinámica inercial de la magnetización.
El trabajo establece el pseudospín como un grado de libertad dinámico microscópico para la conmutación coherente y el control del orden de carga. Esto proporciona un análogo de carga de la teoría bien desarrollada de la dinámica de espines en spintrónica. A diferencia de trabajos vecinos que consideran el deslizamiento de ondas de densidad de carga o la fusión fotoinducida del orden de carga, aquí se propone un mecanismo de rotación coherente del vector de orden de carga bajo la acción de un campo eléctrico. Esto abre el camino al control eléctrico del orden de carga mediante corrientes de pseudospín y pares de torsión, análogos a los de espín. Los resultados también permiten determinar por separado los parámetros de intercambio Jz y J⊥ a partir de mediciones de la frecuencia del modo colectivo y del campo crítico de conmutación.
El tema puede desarrollarse hacia la inclusión de la dinámica espacialmente no homogénea, términos de gradiente y paredes de dominio. Es posible generalizar a temperaturas finitas, considerar la interacción con la red y los fonones, y estudiar el papel del desorden y los defectos. También es interesante considerar los efectos de las fluctuaciones cuánticas y la posibilidad de tunelamiento cuántico del pseudospín. La conexión con experimentos recientes de conmutación ultrarrápida de polaridad en LuFe2O4 y otros materiales con ferroelectridad electrónica puede estimular la búsqueda de nuevos sistemas con orden de carga controlable.
Los resultados pueden influir en la física de electrones fuertemente correlacionados, la ferroelectridad, los multiferroicos y la spintrónica, ofreciendo una nueva forma de controlar los grados de libertad de carga. En la práctica, esto podría conducir a la creación de dispositivos de almacenamiento y procesamiento de información basados en la conmutación del orden de carga.
Los próximos pasos incluyen verificar las predicciones en experimentos con campos eléctricos fuertes y resolución temporal, por ejemplo, mediante espectroscopia de terahercios o difracción ultrarrápida. También es importante investigar el papel de las paredes de dominio y las inhomogeneidades en materiales reales.
El trabajo está directamente relacionado con el problema no resuelto de la descripción microscópica de la dinámica fuera del equilibrio del orden de carga en sistemas fuertemente correlacionados. Propone un mecanismo concreto de conmutación coherente que antes no existía y conecta el orden de carga con la dinámica bien estudiada de los antiferromagnetos. Esto llena el vacío entre los modelos estáticos del orden de carga y las observaciones experimentales de conmutaciones ultrarrápidas.
Esta sección está dirigida al autor del trabajo y a sus colegas. Los trabajos vecinos los encontró la búsqueda por significado en nuestro archivo, no por coincidencia de palabras. No evaluamos: mostramos el campo alrededor.
Qué hace el trabajo
En este trabajo se deriva un modelo efectivo de pseudospín para el orden de carga a partir del modelo de Hubbard extendido en el régimen de interacción fuerte. Se obtienen ecuaciones de Landau-Lifshitz-Gilbert, análogas a la dinámica antiferromagnética, y se demuestra que un campo eléctrico externo actúa como un campo escalonado, provocando una conmutación coherente de la polaridad cuando se supera un umbral.
Dónde está su fuerza
Se establece una conexión microscópica directa entre el orden de carga y la dinámica de pseudospín, lo que proporciona una base para el control eléctrico, de manera análoga a la spintrónica.
Hacia dónde puede avanzar
Vale la pena probar
Por qué puede importar
El enfoque de pseudospín propuesto podría convertirse en un marco general para describir la dinámica de no equilibrio de los órdenes de carga en diversos materiales y abrir vías para la creación de dispositivos de electrónica de carga.
Trabajos cercanos en nuestro archivo
El archivo está vacío alrededor de este trabajo: el análisis más cercano queda en 0.53, frente a un 0.64 habitual. Parece que aquí al lado casi nadie ha perforado.
La frecuencia de las excitaciones colectivas de pseudospín del orden de carga se encuentra en el rango de los terahercios, es decir, del orden de un billón de oscilaciones por segundo. Esto es un millón de veces más rápido que la frecuencia de fotogramas típica en el cine.