「量子雪崩」

バッファロー大学より2023年8月13日

絶縁体から金属への転移の謎を解明する「量子なだれ」に関する新しい研究は、抵抗スイッチングに関する新たな洞察を明らかにし、マイクロエレクトロニクスにおける潜在的なブレークスルーを提供します。

新しい研究が絶縁体から金属への転移に関する謎を解決

ある研究では、絶縁体から金属への転移を調査し、従来のランダウ・ツェナー式の不一致を明らかにし、抵抗スイッチングに関する新たな洞察を提供しました。 この研究では、コンピューターシミュレーションを使用することで、関与する量子力学に焦点を当て、電子スイッチングと熱スイッチングが同時に発生し、マイクロエレクトロニクスやニューロモーフィックコンピューティングに応用できる可能性があることを示唆しています。

素粒子だけを見ると、ほとんどの物質は 2 つのカテゴリのいずれかに分類できます。

銅や鉄などの金属は自由に流れる電子を持っているため、電気を通すことができますが、ガラスやゴムなどの絶縁体は電子がしっかりと束縛されているため、電気を通しません。

絶縁体は強い電界を受けると金属に変化し、マイクロエレクトロニクスやスーパーコンピューティングに興味深い可能性をもたらしますが、抵抗スイッチングと呼ばれるこの現象の背後にある物理学はよく理解されていません。

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"}]">バッファロー大学の物性理論家ジョン・ハン氏。

「私はそれに夢中になっていました」と彼は言います。

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"}]">ネイチャーコミュニケーションズ。

バッファロー大学物理学教授のジョン・ハン氏は、電場を介して絶縁体がどのように金属に変化するのか、抵抗スイッチングとして知られるプロセスに関する長年の物理学の謎を解くのに役立つ新しい研究の筆頭著者である。 クレジット: Douglas Levere、バッファロー大学

金属と絶縁体の違いは量子力学の原理にあり、電子は量子粒子であり、そのエネルギー準位は禁制帯のギャップにあると規定している、とハン氏は言う。

1930 年代以来、ランダウ ツェナーの公式は、絶縁体の電子を下部バンドから上部バンドに押し出すのに必要な電場の大きさを決定するための青写真として機能してきました。 しかし、それ以来数十年間の実験では、材料に必要な電場は、ランダウ・ツェナーの式で推定されるよりもはるかに小さい、つまり約 1,000 分の 1 であることが示されています。

「したがって、大きな矛盾があり、より良い理論が必要です」とハン氏は言う。

これを解決するために、ハン氏は別の質問を検討することにしました。すでに絶縁体の上部バンドにある電子が押し込まれると何が起こるでしょうか?