“量子雪崩”告诉你非导体怎样变成导体

发布时间：2023-07-27 13:19:01 所属栏目：动态来源：

导读：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

金属——像

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

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，但这种被经济学称为非线性电阻控制开关的现象背后的物理经济学原理还没有得到一个很好的全面的理解。

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。

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。

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丢时，会发生什么?

韩用计算机模拟了电阻开关，说明了电子在上带的存在。它意味着，一个相对稳定的电场可以触发向下带之间的间隙坍缩，为电子在带之间上下滑动创造一条量子路径。

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。韩国的模拟表明，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。他带领着一群科研人员致力于探讨新型纳米材料的电气属性现象，此类物质会在较低的温度条件下展现出全新的特性，这项成果能够为探究掌控电气行为复杂的物理学规律提供重要指导。

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。”

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。

“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。我们要从根本上解决这个问题实际上还有很多艰苦卓绝的工作我们要做。”

（编辑：汽车网）

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