"Avalanche quantique"

Par Université de Buffalo13 août 2023

En révélant le mystère des transitions isolant-métal, de nouvelles recherches sur « l’avalanche quantique » révèlent de nouvelles connaissances sur la commutation résistive et offrent des percées potentielles en microélectronique.

Une nouvelle étude résout le mystère de la transition isolant-métal

Une étude a exploré les transitions isolant-métal, révélant des divergences dans la formule traditionnelle de Landau-Zener et offrant de nouvelles perspectives sur la commutation résistive. En utilisant des simulations informatiques, la recherche met en évidence la mécanique quantique impliquée et suggère que les commutations électronique et thermique peuvent survenir simultanément, avec des applications potentielles en microélectronique et en informatique neuromorphique.

En considérant uniquement leurs particules subatomiques, la plupart des matériaux peuvent être classés dans l’une des deux catégories suivantes.

Les métaux, comme le cuivre et le fer, possèdent des électrons libres qui leur permettent de conduire l'électricité, tandis que les isolants, comme le verre et le caoutchouc, maintiennent leurs électrons étroitement liés et ne conduisent donc pas l'électricité.

Les isolants peuvent se transformer en métaux lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique intense, offrant des possibilités alléchantes pour la microélectronique et la superinformatique, mais la physique derrière ce phénomène appelé commutation résistive n’est pas bien comprise.

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, théoricien de la matière condensée de l'Université de Buffalo.

«J'ai été obsédé par ça», dit-il.

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"}]">Communication naturelle.

Jong Han, professeur de physique à l'Université de Buffalo, est l'auteur principal d'une nouvelle étude qui aide à résoudre un mystère physique de longue date sur la façon dont les isolants se transforment en métaux via un champ électrique, un processus connu sous le nom de commutation résistive. Crédit : Douglas Levere, Université de Buffalo

La différence entre les métaux et les isolants réside dans les principes de la mécanique quantique, qui dictent que les électrons sont des particules quantiques et que leurs niveaux d'énergie se présentent dans des bandes comportant des espaces interdits, explique Han.

Depuis les années 1930, la formule de Landau-Zener sert de modèle pour déterminer la taille du champ électrique nécessaire pour pousser les électrons d'un isolant de ses bandes inférieures vers ses bandes supérieures. Mais les expériences menées au cours des décennies suivantes ont montré que les matériaux nécessitent un champ électrique beaucoup plus petit – environ 1 000 fois plus petit – que celui estimé par la formule de Landau-Zener.

"Il y a donc un énorme écart et nous avons besoin d'une meilleure théorie", dit Han.

Pour résoudre ce problème, Han a décidé d’examiner une question différente : que se passe-t-il lorsque des électrons déjà présents dans la bande supérieure d’un isolant sont poussés ?