“Valanga quantistica”

Da University at Buffalo13 agosto 2023

Svelando il mistero delle transizioni da isolante a metallo, una nuova ricerca sulla “valanga quantistica” svela nuove intuizioni sulla commutazione resistiva e offre potenziali scoperte nella microelettronica.

Un nuovo studio risolve il mistero sulla transizione da isolante a metallo

Uno studio ha esplorato le transizioni isolante-metallo, scoprendo discrepanze nella tradizionale formula di Landau-Zener e offrendo nuove informazioni sulla commutazione resistiva. Utilizzando simulazioni al computer, la ricerca evidenzia la meccanica quantistica coinvolta e suggerisce che la commutazione elettronica e termica possono verificarsi simultaneamente, con potenziali applicazioni nella microelettronica e nell'informatica neuromorfica.

Considerando solo le particelle subatomiche, la maggior parte dei materiali può essere classificata in due categorie.

I metalli – come il rame e il ferro – hanno elettroni a flusso libero che consentono loro di condurre elettricità, mentre gli isolanti – come il vetro e la gomma – mantengono i loro elettroni strettamente legati e quindi non conducono elettricità.

Gli isolanti possono trasformarsi in metalli quando colpiti da un intenso campo elettrico, offrendo possibilità allettanti per la microelettronica e il supercalcolo, ma la fisica dietro questo fenomeno chiamato commutazione resistiva non è ben compresa.

Questions, like how large an electric field is needed, are fiercely debated by scientists, like University at BuffaloFounded in 1846, the State University of New York at Buffalo is the largest campus in the State University of New York system and New York’s leading public center for graduate and professional education. It is a public research university with campuses in Buffalo and Amherst, New York, United States. It is commonly referred to as the University at Buffalo (UB) or SUNY Buffalo, and was formerly known as the University of Buffalo." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Jong Han, teorico della materia condensata dell'Università di Buffalo.

"Ne sono stato ossessionato", dice.

Han, PhD, professor of physics in the College of Arts and Sciences, is the lead author on a study that takes a new approach to answer a long-standing mystery about insulator-to-metal transitions. The study, “Correlated insulator collapse due to quantum avalanche via in-gap ladder states,” was published in May in Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Comunicazioni sulla natura.

Jong Han, professore di fisica dell'Università di Buffalo, è l'autore principale di un nuovo studio che aiuta a risolvere un mistero di fisica di lunga data su come gli isolanti passano ai metalli attraverso un campo elettrico, un processo noto come commutazione resistiva. Crediti: Douglas Levere, Università di Buffalo

La differenza tra metalli e isolanti risiede nei principi della meccanica quantistica, secondo i quali gli elettroni sono particelle quantistiche e i loro livelli energetici rientrano in bande che presentano lacune proibite, afferma Han.

Dagli anni '30, la formula di Landau-Zener è servita come modello per determinare l'entità del campo elettrico necessario per spingere gli elettroni di un isolante dalle bande inferiori a quelle superiori. Ma gli esperimenti condotti nei decenni successivi hanno dimostrato che i materiali richiedono un campo elettrico molto più piccolo – circa 1.000 volte più piccolo – di quello stimato dalla formula di Landau-Zener.

"Quindi c'è un'enorme discrepanza e abbiamo bisogno di una teoria migliore", afferma Han.

Per risolvere questo problema, Han ha deciso di considerare una domanda diversa: cosa succede quando gli elettroni già nella banda superiore di un isolante vengono spinti?