布法罗大学研究解开了绝缘体到金属转变之谜

纽约州布法罗——仅从亚原子粒子来看，大多数材料都可以分为两类之一。

金属(如铜和铁)具有自由流动的电子，使它们能够导电，而绝缘体(如玻璃和橡胶)则保持电子紧密结合，因此不导电。

绝缘体在受到强电场照射时会变成金属，这为微电子学和超级计算提供了诱人的可能性，但这种称为电阻开关的现象背后的物理原理尚不清楚。

诸如需要多大的电场之类的问题，受到了布法罗大学凝聚态理论家 Jong Han 等科学家的激烈争论。

“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，该研究采用一种新方法来解答有关绝缘体到金属转变的长期谜团。这项研究“通过带隙内梯态导致量子雪崩导致相关绝缘体崩溃”，发表于 5 月的《自然通讯》杂志上。

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，该原理规定电子是量子粒子，它们的能级位于具有禁带的能带中。

自 20 世纪 30 年代以来，朗道-齐纳公式一直作为确定将绝缘体的电子从较低能带推至较高能带所需电场大小的蓝图。但此后几十年的实验表明，材料所需的电场比朗道-齐纳公式估计的小得多，大约小 1,000 倍。

“因此，存在巨大差异，我们需要有更好的理论，”韩说。

为了解决这个问题，韩决定考虑一个不同的问题：当已经处于绝缘体上能带的电子被推动时会发生什么?

汉对电阻开关进行了计算机模拟，解释了上能带中电子的存在。研究表明，相对较小的电场可以触发下能带和上能带之间间隙的塌陷，从而为电子在能带之间上下移动创造一条量子路径。

韩说，打个比方，“想象一些电子在二楼移动。当地板因电场而倾斜时，电子不仅开始移动，而且之前禁止的量子跃迁打开，地板的稳定性突然崩溃，使得不同地板上的电子上下流动。

“那么，问题就不再是底层的电子如何跳跃，而是更高层在电场作用下的稳定性。”

韩说，这个想法有助于解决朗道-齐纳公式中的一些差异。它还为有关由电子本身引起的绝缘体到金属转变或由极热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量引发的。然而，直到电子和声子的单独温度(晶体原子的量子振动)达到平衡时，才会发生完整的绝缘体到金属的转变。韩说，这表明电子和热开关的机制并不相互排斥，而是可以同时出现。

“因此，我们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

该研究由布法罗大学工程与应用科学学院电气工程教授兼系主任 Jonathan Bird 博士共同撰写，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特性，这些材料在低温下表现出新的状态，这可以让研究人员了解控制电行为的复杂物理原理。

“虽然我们的研究重点是解决有关新材料物理的基本问题，但我们在这些材料中揭示的电现象最终可以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型存储器，”伯德说。

这项研究对于神经形态计算等领域也至关重要，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。