«Квантовая лавина»

Автор: Университет Буффало, 13 августа 2023 г.

Раскрывая тайну переходов изолятор-металл, новое исследование «квантовой лавины» открывает новое понимание резистивного переключения и предлагает потенциальные прорывы в микроэлектронике.

Новое исследование раскрывает загадку перехода изолятор-металл

Исследование изучало переходы изолятор-металл, выявило несоответствия в традиционной формуле Ландау-Зинера и предложило новое понимание резистивного переключения. Используя компьютерное моделирование, исследование выдвигает на первый план квантовую механику и предполагает, что электронное и тепловое переключение могут возникать одновременно, что потенциально может применяться в микроэлектронике и нейроморфных вычислениях.

Если рассматривать только субатомные частицы, большинство материалов можно отнести к одной из двух категорий.

Металлы, такие как медь и железо, имеют свободные электроны, которые позволяют им проводить электричество, в то время как изоляторы, такие как стекло и резина, удерживают свои электроны прочно связанными и, следовательно, не проводят электричество.

Изоляторы могут превращаться в металлы при воздействии интенсивного электрического поля, что открывает заманчивые возможности для микроэлектроники и суперкомпьютеров, но физика, лежащая в основе этого явления, называемого резистивным переключением, до конца не изучена.

Questions, like how large an electric field is needed, are fiercely debated by scientists, like University at BuffaloFounded in 1846, the State University of New York at Buffalo is the largest campus in the State University of New York system and New York’s leading public center for graduate and professional education. It is a public research university with campuses in Buffalo and Amherst, New York, United States. It is commonly referred to as the University at Buffalo (UB) or SUNY Buffalo, and was formerly known as the University of Buffalo." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Теоретик конденсированного состояния Университета Буффало Чон Хан.

«Я был одержим этим», — говорит он.

Han, PhD, professor of physics in the College of Arts and Sciences, is the lead author on a study that takes a new approach to answer a long-standing mystery about insulator-to-metal transitions. The study, “Correlated insulator collapse due to quantum avalanche via in-gap ladder states,” was published in May in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Природные коммуникации.

Профессор физики Университета Буффало Чон Хан является ведущим автором нового исследования, которое помогает разгадать давнюю загадку физики о том, как изоляторы превращаются в металлы под действием электрического поля — процесс, известный как резистивное переключение. Фото: Дуглас Левер, Университет Буффало.

Разница между металлами и изоляторами заключается в принципах квантовой механики, которые диктуют, что электроны являются квантовыми частицами, а их энергетические уровни находятся в зонах с запрещенными зонами, говорит Хан.

С 1930-х годов формула Ландау-Зинера служила образцом для определения величины электрического поля, необходимого для выталкивания электронов изолятора из его нижних зон в верхние. Но эксперименты, проведенные в последующие десятилетия, показали, что для материалов требуется гораздо меньшее электрическое поле — примерно в 1000 раз меньше — чем предполагалось по формуле Ландау-Зинера.

«Итак, существует огромное несоответствие, и нам нужна более совершенная теория», — говорит Хан.

Чтобы решить эту проблему, Хан решил рассмотреть другой вопрос: что происходит, когда электроны, уже находящиеся в верхней зоне изолятора, выталкиваются?