“量子雪崩”告诉你非导体如何变成导体
UB物理学教授Jong Han是一项新研究的主要作者，该研究有助于解决一个长期存在的物理谜团，即绝缘体如何通过电场转变为金属，这一过程被称为电阻开关。来源:道格拉斯·莱弗，布法罗大学
如果只看亚原子粒子，大多数材料可以归为两类之一。
金属——像铜和铁——有自由流动的电子，使它们能够导电，而绝缘体——像玻璃和橡胶——把它们的电子紧紧地束缚在一起，因此不导电。
当受到强电场的冲击时，绝缘体可以变成金属，这为微电子和超级计算提供了诱人的可能性，但这种被称为电阻开关的现象背后的物理原理还没有得到很好的理解。
像需要多大的电场这样的问题，是科学家们激烈争论的问题，比如布法罗大学凝聚态理论家Jong Han。
“我一直对此着迷，”他说。
韩博士是艺术与科学学院的物理学教授，他是一项研究的主要作者，该研究采用了一种新的方法来回答关于绝缘体到金属转变的长期谜团。这项名为“通过间隙梯态量子雪崩导致的相关绝缘体坍塌”的研究发表在5月份的《自然通讯》上。
量子路径允许电子在能带之间移动
韩说，金属和绝缘体之间的区别在于量子力学原理，量子力学原理决定了电子是量子粒子，它们的能级处于具有禁止间隙的能带中。
自20世纪30年代以来，朗道-齐纳公式一直是确定将绝缘体的电子从其低能带推向其高能带所需的电场大小的蓝图。但此后几十年的实验表明，材料需要的电场要小得多——大约比朗道-齐纳公式估计的小1000倍。
“因此，存在巨大的差异，我们需要一个更好的理论，”韩说。
为了解决这个问题，韩决定考虑一个不同的问题:当已经在绝缘体上带的电子被推时，会发生什么?
陈是参与量子雪崩研究的几名研究生之一。资料来源:道格拉斯·莱弗/布法罗大学
韩用计算机模拟了电阻开关，说明了电子在上带的存在。它表明，一个相对较小的电场可以触发上下带之间的间隙坍缩，为电子在带之间上下移动创造一条量子路径。
为了打个比方，韩说，“想象一些电子在二楼运动。当地板被电场倾斜时，电子不仅开始移动，而且以前禁止的量子跃迁打开，地板的稳定性突然崩溃，使不同楼层的电子上下流动。
“然后，问题不再是底层的电子如何向上跳跃，而是在电场作用下更高楼层的稳定性。”
这个想法有助于解决朗道-齐纳公式中的一些差异，韩说。它还为关于由电子本身引起的绝缘体到金属的转变或由极端高温引起的转变的争论提供了一些清晰度。韩的模拟表明，量子雪崩不是由热引发的。然而，直到电子和声子的温度——晶体原子的量子振动——达到平衡，绝缘体到金属的完全转变才会发生。韩说，这表明电子和热开关的机制并不是相互排斥的，而是可以同时出现的。
“因此，我们已经找到了一种方法来理解整个电阻开关现象的某些角落，”韩说。“但我认为这是一个很好的起点。”
研究可以改善微电子学
这项研究是由布法罗大学工程与应用科学学院电气工程教授兼主席Jonathan Bird博士共同撰写的，他提供了实验背景。他的团队一直在研究新兴纳米材料的电学性质，这些材料在低温下表现出新的状态，这可以教会研究人员很多关于控制电学行为的复杂物理。
伯德说:“虽然我们的研究重点是解决有关新材料物理学的基本问题，但我们在这些材料中揭示的电现象最终可能为新的微电子技术提供基础，例如用于人工智能等数据密集型应用的紧凑存储器。”
这项研究也可能对神经形态计算等领域至关重要，神经形态计算试图模拟人类神经系统的电刺激。“然而，我们的重点主要是理解基本现象学，”伯德说。
其他作者包括UB物理学博士生陈曦;Ishiaka Mansaray，获得物理学博士学位，现在是国家标准与技术研究所的博士后，Michael Randle，获得电气工程博士学位，现在是日本理化学研究所的博士后。其他作者包括瑞士洛桑联邦理工学院、浦项理工大学、基础科学研究所复杂系统理论物理中心的国际研究人员。
论文发表后，他设计了一种与计算机计算相匹配的分析理论。不过，他还有更多需要研究的地方，比如量子雪崩发生所需的确切条件。
“有人，一个实验主义者，会问我，‘为什么我之前没有看到?’”韩说。“有些人可能看到了，有些人可能没有。我们要解决这个问题还有很多工作要做。”
更多信息:Jong E. Han等人，量子雪崩导致的相关绝缘体坍缩，Nature Communications(2023)。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 38557 - 8
期刊信息:自然通讯
来自：乖巧湖泊WwQ