“Квантова лавина” — феномен, який може революціонізувати мікроелектроніку

Нове дослідження розгадує таємницю переходу ізолятора в метал. У дослідженні досліджувалися переходи ізолятора в метал, виявляючи розбіжності в традиційній формулі Ландау-Зенера і пропонуючи нове розуміння резистивного перемикання. Використовуючи комп’ютерне моделювання, дослідження висвітлює залучену квантову механіку та припускає, що електронне та теплове перемикання можуть виникати одночасно з потенційними застосуваннями в мікроелектроніці та нейроморфних обчисленнях.

Розглядаючи лише субатомні частинки, більшість матеріалів можна віднести до однієї з двох категорій. Метали, такі як мідь і залізо, мають електрони, що вільно протікають, що дозволяє їм проводити електрику, тоді як ізолятори, такі як скло та гума, утримують свої електрони міцно зв’язаними й тому не проводять електрику.

Ізолятори можуть перетворюватися на метали під час удару інтенсивним електричним полем, відкриваючи приголомшливі можливості для мікроелектроніки та суперкомп’ютерів, але фізика цього явища, яке називається резистивним перемиканням, недостатньо вивчена.

Таємниця переходів ізолятора в метал

Такі питання, як те, наскільки велике електричне поле потрібне, запекло обговорюються вченими, як-от теоретик конденсованих речовин Університету Буффало Джон Хан.

«Я був одержимий цим», — каже він.

Хан, доктор філософії, професор фізики в Коледжі мистецтв і наук, є провідним автором дослідження, яке використовує новий підхід, щоб відповісти на давню таємницю про переходи ізолятора в метал. Дослідження «Корельований колапс ізолятора внаслідок квантової лавини через драбинові стани в зазорі», було опубліковано в травні в Nature Communications.

Електрони рухаються через квантові шляхи

Різниця між металами та ізоляторами полягає в принципах квантової механіки, які диктують, що електрони є квантовими частинками, а їхні енергетичні рівні знаходяться в зонах із забороненими проміжками, говорить Хан.

З 1930-х років формула Ландау-Зенера служила зразком для визначення величини електричного поля, необхідного для проштовхування електронів ізолятора з його нижніх зон до верхніх. Але експерименти, проведені впродовж останніх десятиліть, показали, що для матеріалів потрібне набагато менше електричне поле — приблизно в 1000 разів менше — ніж це було визначено формулою Ландау-Зенера.

«Отже, існує величезна розбіжність, і нам потрібна краща теорія», — говорить Хан.

Вирішення розбіжностей

Щоб розв’язувати цю проблему, Хан вирішив розглянути інше питання: що відбувається, коли електрони, які вже знаходяться у верхній смузі ізолятора, штовхаються?

Хан провів комп’ютерне моделювання резистивного перемикання, яке враховувало присутність електронів у верхній смузі. Це показало, що відносно невелике електричне поле може спровокувати згортання проміжку між нижньою та верхньою зонами, створюючи квантовий шлях для електронів, щоб рухатися вгору та вниз між зонами.

Щоб провести аналогію, Хан каже: «Уявіть, що кілька електронів рухаються на другому поверсі. Коли підлога нахиляється електричним полем, електрони не тільки починають рухатися, але й відкриваються раніше заборонені квантові переходи, і сама стабільність підлоги різко руйнується, змушуючи електрони на різних поверхах текти вгору та вниз.

«Тоді питання вже не в тому, як електрони на нижньому поверсі стрибають вгору, а в стабільності верхніх поверхів під електричним полем».

Хан каже, що ця ідея допомагає вирішити деякі розбіжності у формулі Ландау-Зенера. Це також вносить певну ясність у дебати щодо переходів ізолятора до металу, спричинених самими електронами або тими, що спричинені екстремальною температурою. Моделювання Хана припускає, що квантова лавина не викликається теплом. Однак повний перехід ізолятора в метал не відбудеться, доки окремі температури електронів і фононів — квантових коливань атомів кристала — не врівноважуються. Це показує, що механізми для електронного та теплового перемикання не виключають один одного, каже Хан, а можуть виникати одночасно.

«Отже, ми знайшли спосіб зрозуміти частину цього явища резистивного перемикання», — каже Хан. «Але я думаю, що це хороша відправна точка».

Дослідження можуть покращити мікроелектроніку

Співавтором дослідження був Джонатан Берд, доктор філософії, професор і кафедра електротехніки Школи інженерії та прикладних наук Університетського університету, який надав експериментальний контекст. Його команда вивчає електричні властивості нових наноматеріалів, які демонструють нові стани при низьких температурах, що може навчити дослідників багато чому про складну фізику, яка керує електричною поведінкою.

«Хоча наші дослідження зосереджені на розв’язанні фундаментальних питань фізики нових матеріалів, електричні явища, які ми виявляємо в цих матеріалах, зрештою можуть стати основою для нових мікроелектронних технологій, таких як компактна пам’ять для використання в додатках з інтенсивним об’ємом даних, як-от штучний інтелект.”, – каже Берд.

Потенційні програми

Дослідження також може мати вирішальне значення для таких областей, як нейроморфні обчислення, які намагаються імітувати електричну стимуляцію нервової системи людини. «Однак ми зосереджені насамперед на розумінні фундаментальної феноменології», — каже Берд.

Після публікації статті Хан розробив аналітичну теорію що добре відповідає обчисленням комп’ютера. З усім тим, йому є ще щось для дослідження, як-от точні умови, необхідні для виникнення квантової лавини.

«Хтось, експериментатор, запитає мене: «Чому я не бачив цього раніше?», — каже Хан. «Хтось міг це бачити, а хтось ні. У нас попереду багато роботи, щоб це розібратися». Джерело