"量子雪崩" - 可能彻底改变微电子学和超级计算机的现象

仅从亚原子粒子来看，大多数材料可分为两类。金属--如铜和铁--具有自由流动的电子，可以导电；而绝缘体--如玻璃和橡胶--电子紧密结合，因此不能导电。绝缘体在遇到强电场时可以变成金属，这为微电子学和超级计算提供了诱人的可能性，但人们对这种被称为电阻开关的现象背后的物理学原理还不甚了解。

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对 "量子雪崩"的新研究揭开了绝缘体到金属转变的神秘面纱，发现了电阻开关的新见解，并为微电子学带来了潜在的突破。

对于需要多大的电场等问题，科学家们展开了激烈的争论，比如布法罗大学凝聚态物质理论家Jong Han。

韩博士是文理学院物理学教授，他是一项研究的第一作者，该研究采用新方法解答了绝缘体到金属转变的一个长期谜团。这项题为"通过隙内梯形态的量子雪崩导致的相关绝缘体塌缩"的研究于今年五月发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

布法罗大学物理学教授 Jong Han 是一项新研究的第一作者，该研究有助于解开一个长期存在的物理学谜团，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。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere

电子通过量子路径运动

Han说，金属和绝缘体的区别在于量子力学原理，量子力学原理规定电子是量子粒子，它们的能级在具有禁带间隙的带中运动。

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低能段推向高能段所需电场大小的蓝图。但此后几十年的实验表明，材料所需的电场要比朗道-齐纳公式估计的小得多，大约小 1000 倍。

"因此，存在着巨大的差异，我们需要一个更好的理论，"Han 说。

解决差异

为了解决这个问题，Han 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动时会发生什么？

Han 利用计算机模拟了电阻开关，其中考虑到了上带电子的存在。结果表明，一个相对较小的电场就能引发下带和上带之间间隙的塌缩，为电子在带间上下移动创造量子路径。

Han 打了个比方："想象一些电子在二楼移动。当地板被电场倾斜时，电子不仅开始移动，而且以前被禁止的量子跃迁打开了，地板的稳定性突然崩溃，使不同楼层的电子上下流动。那么，问题就不再是底层的电子如何跳起来，而是更高的楼层在电场作用下的稳定性"。

这一想法有助于解决朗道-齐纳公式中的一些差异。它还在一定程度上澄清了关于由电子本身引起的绝缘体到金属的转变或由极热引起的转变的争论。Han 的模拟表明，量子雪崩并非由热量引发。然而，从绝缘体到金属的完全转变要等到电子和声子（晶体原子的量子振动）的温度达到平衡时才会发生。Han说，这表明电子和热转换的机制并不是相互排斥的，而是可以同时发生的。

"因此，我们找到了一种理解整个电阻开关现象某些角落的方法，"Han 说。"但我还认为这是一个很好的起点。"

研究可改进微电子学

这项研究的共同作者是哥伦比亚大学工程与应用科学学院电子工程系教授兼系主任乔纳森-伯德（Jonathan Bird）博士，他提供了实验背景。他的团队一直在研究在低温下呈现出新状态的新兴纳米材料的电学特性，这可以让研究人员学到很多关于支配电学行为的复杂物理知识。

伯德说："虽然我们的研究侧重于解决新材料物理学的基本问题，但我们在这些材料中揭示的电学现象最终可能为新的微电子技术奠定基础，例如用于人工智能等数据密集型应用的紧凑型存储器。"

潜在应用

这项研究对于试图模拟人类神经系统电刺激的神经形态计算等领域也至关重要。"不过，我们的重点主要是理解基本现象学，"伯德说。

自论文发表以来，Han 已经设计出一种分析理论，与计算机的计算结果非常吻合。不过，他还有更多的研究要做，比如量子雪崩发生所需的确切条件。

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