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

僅從亞原子粒子來(lái)看，大多數(shù)材料可分為兩類(lèi)。金屬--如銅和鐵--具有自由流動(dòng)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(chǎng)時(shí)可以變成金屬，這為微電子學(xué)和超級(jí)計(jì)算提供了誘人的可能性，但人們對(duì)這種被稱為電阻開(kāi)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(duì) "量子雪崩"的新研究揭開(kāi)了絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變的神秘面紗，發(fā)現(xiàn)了電阻開(kāi)關(guān)的新見(jiàn)解，并為微電子學(xué)帶來(lái)了潛在的突破。

對(duì)于需要多大的電場(chǎng)等問(wèn)題，科學(xué)家們展開(kāi)了激烈的爭(zhēng)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(gè)長(zhǎng)期謎團(tuán)。這項(xiàng)題為"通過(guò)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(kāi)一個(gè)長(zhǎng)期存在的物理學(xué)謎團(tuán)，即絕緣體如何通過(guò)電場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘?，這一過(guò)程被稱為電阻開(kāi)關(guān)。圖片來(lái)源：布法羅大學(xué) Douglas Levere

電子通過(guò)量子路徑運(yùn)動(dòng)

Han說(shuō)，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(jí)在具有禁帶間隙的帶中運(yùn)動(dòng)。

自 20 世紀(jì) 30 年代以來(lái)，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(chǎng)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(chǎng)要比朗道-齊納公式估計(jì)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(gè)更好的理論，"Han 說(shuō)。

解決差異

為了解決這個(gè)問(wèn)題，Han 決定考慮一個(gè)不同的問(wèn)題： 當(dāng)已經(jīng)在絕緣體上帶的電子被推動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

Han 利用計(jì)算機(jī)模擬了電阻開(kāi)關(guān)，其中考慮到了上帶電子的存在。結(jié)果表明，一個(gè)相對(duì)較小的電場(chǎng)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(dòng)創(chuàng)造量子路徑。

Han 打了個(gè)比方："想象一些電子在二樓移動(dòng)。當(dāng)?shù)匕灞浑妶?chǎng)傾斜時(shí)，電子不僅開(kāi)始移動(dòng)，而且以前被禁止的量子躍遷打開(kāi)了，地板的穩(wěn)定性突然崩潰，使不同樓層的電子上下流動(dòng)。那么，問(wèn)題就不再是底層的電子如何跳起來(lái)，而是更高的樓層在電場(chǎng)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(zhēng)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(dòng)）的溫度達(dá)到平衡時(shí)才會(huì)發(fā)生。Han說(shuō)，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(shí)發(fā)生的。

"因此，我們找到了一種理解整個(gè)電阻開(kāi)關(guān)現(xiàn)象某些角落的方法，"Han 說(shuō)。"但我還認(rèn)為這是一個(gè)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?tīng)顟B(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(shí)。

伯德說(shuō)："雖然我們的研究側(cè)重于解決新材料物理學(xué)的基本問(wèn)題，但我們?cè)谶@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(chǔ)器。"

潛在應(yīng)用

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

自論文發(fā)表以來(lái)，Han 已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種分析理論，與計(jì)算機(jī)的計(jì)算結(jié)果非常吻合。不過(guò)，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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