|
Как непроводники превращаются в проводники
|
|
|
|
Глядя только на их субатомные частицы, большинство материалов можно отнести к одной из двух категорий. Металлы, такие как медь и железо, имеют свободно движущиеся 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 сильного электрического поля, открывая заманчивые возможности для микроэлектроники и суперкомпьютеров, но физика этого явления, называемого резистивным переключением, изучена недостаточно. Такие вопросы, как величина электрического поля, ожесточенно обсуждаются учеными, например, теоретиком конденсированного состояния из Университета Буффало Джонг Ханом. «Я был одержим этим, — говорит он.
|
|
|
|
Хан, доктор философии, профессор физики в Колледже искусств и наук, является ведущим автором исследования, в котором используется новый подход к разгадке давней загадки перехода изолятора в металл. Исследование «Коррелированный коллапс изолятора из-за квантовой лавины через состояния лестницы в зазоре» было опубликовано в мае в Nature Communications. По словам Хана, разница между металлами и изоляторами заключается в принципах квантовой механики, согласно которым электроны являются квантовыми частицами, а их энергетические уровни находятся в зонах с запрещенными зонами. С 1930-х годов формула Ландау-Зинера служила образцом для определения размера электрического поля, необходимого для того, чтобы вытолкнуть электроны изолятора из его нижних зон в верхние. Но эксперименты, проведенные в последующие десятилетия, показали, что материалам требуется гораздо меньшее электрическое поле — примерно в 1000 раз меньшее, чем предполагалось по формуле Ландау-Зинера. «Итак, существует огромное расхождение, и нам нужна лучшая теория», — говорит Хан.
|
|
|
Чтобы решить эту проблему, Хан решил рассмотреть другой вопрос: что происходит, когда электроны, уже находящиеся в верхней зоне изолятора, выталкиваются? Хан провел компьютерную симуляцию резистивного переключения, которая учитывала присутствие электронов в верхней полосе. Это показало, что относительно небольшое электрическое поле может вызвать коллапс промежутка между нижней и верхней полосами, создавая квантовый путь для движения электронов вверх и вниз между полосами. Проводя аналогию, Хан говорит: «Представьте, что какие-то электроны движутся по второму этажу. Когда пол наклоняется под действием электрического поля, электроны не только начинают двигаться, но и открываются ранее запрещенные квантовые переходы, и сама устойчивость пола резко рушится, заставляя электроны на разных этажах течь вверх и вниз. «Тогда вопрос уже не в том, как подпрыгивают электроны на нижнем этаже, а в устойчивости верхних этажей под действием электрического поля».
|
|
|
|
Эта идея помогает решить некоторые несоответствия в формуле Ландау-Зинера, говорит Хан. Это также вносит некоторую ясность в дискуссию о переходах изолятора в металл, вызванных самими электронами или вызванных сильным нагревом. Моделирование Хана предполагает, что квантовая лавина не вызывается теплом. Однако полный переход изолятора в металл не происходит до тех пор, пока отдельные температуры электронов и фононов — квантовые колебания атомов кристалла — не уравновесятся. Это показывает, что механизмы электронного и теплового переключения не исключают друг друга, говорит Хан, а могут возникать одновременно. «Итак, мы нашли способ понять некоторые аспекты всего этого феномена резистивного переключения», — говорит Хан. «Но я думаю, что это хорошая отправная точка».
|
|
|
|
Исследование было проведено в соавторстве с Джонатаном Бёрдом, доктором философии, профессором и заведующим кафедрой электротехники в Школе инженерии и прикладных наук UB, который предоставил экспериментальный контекст. Его команда изучает электрические свойства возникающих наноматериалов, которые проявляют новые состояния при низких температурах, что может многое рассказать исследователям о сложной физике, управляющей электрическим поведением. «Хотя наши исследования сосредоточены на решении фундаментальных вопросов о физике новых материалов, электрические явления, которые мы обнаруживаем в этих материалах, могут в конечном итоге стать основой для новых микроэлектронных технологий, таких как компактная память для использования в приложениях с интенсивным использованием данных, таких как искусственный интеллект», — говорит Берд.
|
|
|
|
Исследование также может иметь решающее значение для таких областей, как нейроморфные вычисления, которые пытаются имитировать электрическую стимуляцию нервной системы человека. «Однако наше внимание в первую очередь сосредоточено на понимании фундаментальной феноменологии, — говорит Бёрд. Среди других авторов - доктор философии по физике UB. студент Си Чен; Исиака Мансарай, получивший докторскую степень по физике и в настоящее время является постдоком в Национальном институте стандартов и технологий, а Майкл Рэндл, получивший докторскую степень. в области электротехники и в настоящее время является постдоком в исследовательском институте Riken в Японии. В число других авторов входят международные исследователи, представляющие Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанне, Университет науки и технологии Пхохан и Центр теоретической физики сложных систем Института фундаментальных наук. После публикации статьи Хан разработал аналитическую теорию, которая хорошо соответствует компьютерным вычислениям. Тем не менее, ему нужно исследовать еще больше, например, точные условия, необходимые для возникновения квантовой лавины. «Кто-нибудь, экспериментатор, спросит меня: «Почему я не видел этого раньше?» — говорит Хан. «Кто-то, возможно, видел это, кто-то, возможно, нет. Нам предстоит много работы, чтобы разобраться с этим».
|
|
|
|
Источник
|
