"量子雪崩" - 可能徹底改變微電子學(xué)和超級計算機(jī)的現(xiàn)象

僅從亞原子粒子來看，大多數(shù)材料可分為兩類。金屬--如銅和鐵--具有自由流動的電子，可以導(dǎo)電；而絕緣體--如玻璃和橡膠--電子緊密結(jié)合，因此不能導(dǎo)電。絕緣體在遇到強(qiáng)電場時可以變成金屬，這為微電子學(xué)和超級計算提供了誘人的可能性，但人們對這種被稱為電阻開關(guān)的現(xiàn)象背后的物理學(xué)原理還不甚了解。

(相關(guān)資料圖)

對 "量子雪崩"的新研究揭開了絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變的神秘面紗，發(fā)現(xiàn)了電阻開關(guān)的新見解，并為微電子學(xué)帶來了潛在的突破。

對于需要多大的電場等問題，科學(xué)家們展開了激烈的爭論，比如布法羅大學(xué)凝聚態(tài)物質(zhì)理論家Jong Han。

韓博士是文理學(xué)院物理學(xué)教授，他是一項(xiàng)研究的第一作者，該研究采用新方法解答了絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變的一個長期謎團(tuán)。這項(xiàng)題為"通過隙內(nèi)梯形態(tài)的量子雪崩導(dǎo)致的相關(guān)絕緣體塌縮"的研究于今年五月發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

布法羅大學(xué)物理學(xué)教授 Jong Han 是一項(xiàng)新研究的第一作者，該研究有助于解開一個長期存在的物理學(xué)謎團(tuán)，即絕緣體如何通過電場轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?，這一過程被稱為電阻開關(guān)。圖片來源：布法羅大學(xué) Douglas Levere

電子通過量子路徑運(yùn)動

Han說，金屬和絕緣體的區(qū)別在于量子力學(xué)原理，量子力學(xué)原理規(guī)定電子是量子粒子，它們的能級在具有禁帶間隙的帶中運(yùn)動。

自 20 世紀(jì) 30 年代以來，朗道-齊納公式一直是確定將絕緣體的電子從低能段推向高能段所需電場大小的藍(lán)圖。但此后幾十年的實(shí)驗(yàn)表明，材料所需的電場要比朗道-齊納公式估計的小得多，大約小 1000 倍。

"因此，存在著巨大的差異，我們需要一個更好的理論，"Han 說。

解決差異

為了解決這個問題，Han 決定考慮一個不同的問題： 當(dāng)已經(jīng)在絕緣體上帶的電子被推動時會發(fā)生什么？

Han 利用計算機(jī)模擬了電阻開關(guān)，其中考慮到了上帶電子的存在。結(jié)果表明，一個相對較小的電場就能引發(fā)下帶和上帶之間間隙的塌縮，為電子在帶間上下移動創(chuàng)造量子路徑。

Han 打了個比方："想象一些電子在二樓移動。當(dāng)?shù)匕灞浑妶鰞A斜時，電子不僅開始移動，而且以前被禁止的量子躍遷打開了，地板的穩(wěn)定性突然崩潰，使不同樓層的電子上下流動。那么，問題就不再是底層的電子如何跳起來，而是更高的樓層在電場作用下的穩(wěn)定性"。

這一想法有助于解決朗道-齊納公式中的一些差異。它還在一定程度上澄清了關(guān)于由電子本身引起的絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變或由極熱引起的轉(zhuǎn)變的爭論。Han 的模擬表明，量子雪崩并非由熱量引發(fā)。然而，從絕緣體到金屬的完全轉(zhuǎn)變要等到電子和聲子（晶體原子的量子振動）的溫度達(dá)到平衡時才會發(fā)生。Han說，這表明電子和熱轉(zhuǎn)換的機(jī)制并不是相互排斥的，而是可以同時發(fā)生的。

"因此，我們找到了一種理解整個電阻開關(guān)現(xiàn)象某些角落的方法，"Han 說。"但我還認(rèn)為這是一個很好的起點(diǎn)。"

研究可改進(jìn)微電子學(xué)

這項(xiàng)研究的共同作者是哥倫比亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電子工程系教授兼系主任喬納森-伯德（Jonathan Bird）博士，他提供了實(shí)驗(yàn)背景。他的團(tuán)隊(duì)一直在研究在低溫下呈現(xiàn)出新狀態(tài)的新興納米材料的電學(xué)特性，這可以讓研究人員學(xué)到很多關(guān)于支配電學(xué)行為的復(fù)雜物理知識。

伯德說："雖然我們的研究側(cè)重于解決新材料物理學(xué)的基本問題，但我們在這些材料中揭示的電學(xué)現(xiàn)象最終可能為新的微電子技術(shù)奠定基礎(chǔ)，例如用于人工智能等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的緊湊型存儲器。"

潛在應(yīng)用

這項(xiàng)研究對于試圖模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)電刺激的神經(jīng)形態(tài)計算等領(lǐng)域也至關(guān)重要。"不過，我們的重點(diǎn)主要是理解基本現(xiàn)象學(xué)，"伯德說。

自論文發(fā)表以來，Han 已經(jīng)設(shè)計出一種分析理論，與計算機(jī)的計算結(jié)果非常吻合。不過，他還有更多的研究要做，比如量子雪崩發(fā)生所需的確切條件。

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