„Quantenlawine“

Von der University at Buffalo, 13. August 2023

Neue Forschungen zur „Quantenlawine“ lüften das Geheimnis der Isolator-zu-Metall-Übergänge und liefern neue Erkenntnisse über Widerstandsschaltungen und bieten potenzielle Durchbrüche in der Mikroelektronik.

Neue Studie lüftet das Rätsel um den Übergang vom Isolator zum Metall

Eine Studie untersuchte Isolator-zu-Metall-Übergänge, deckte Diskrepanzen in der traditionellen Landau-Zener-Formel auf und lieferte neue Erkenntnisse zum Widerstandsschalten. Mithilfe von Computersimulationen beleuchtet die Forschung die beteiligte Quantenmechanik und legt nahe, dass elektronische und thermische Schaltvorgänge gleichzeitig auftreten können, mit möglichen Anwendungen in der Mikroelektronik und im neuromorphen Computing.

Wenn man nur ihre subatomaren Teilchen betrachtet, können die meisten Materialien in eine von zwei Kategorien eingeteilt werden.

Metalle – wie Kupfer und Eisen – verfügen über frei fließende Elektronen, die es ihnen ermöglichen, Strom zu leiten, während Isolatoren – wie Glas und Gummi – ihre Elektronen fest gebunden halten und daher keinen Strom leiten.

Isolatoren können sich in Metalle verwandeln, wenn sie einem starken elektrischen Feld ausgesetzt werden, was verlockende Möglichkeiten für die Mikroelektronik und das Supercomputing bietet, aber die Physik hinter diesem Phänomen, das als Widerstandsschalten bezeichnet wird, ist nicht vollständig verstanden.

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, Theoretiker der kondensierten Materie an der University of Buffalo.

„Davon war ich besessen“, sagt er.

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"}]">Naturkommunikation.

Jong Han, Physikprofessor an der Universität Buffalo, ist der Hauptautor einer neuen Studie, die dabei hilft, ein seit langem bestehendes physikalisches Rätsel zu lösen, wie Isolatoren über ein elektrisches Feld in Metalle übergehen, ein Prozess, der als Widerstandsschalten bekannt ist. Bildnachweis: Douglas Levere, University at Buffalo

Der Unterschied zwischen Metallen und Isolatoren liegt in den quantenmechanischen Prinzipien, die vorschreiben, dass Elektronen Quantenteilchen sind und ihre Energieniveaus in Bändern mit verbotenen Lücken vorliegen, sagt Han.

Seit den 1930er Jahren dient die Landau-Zener-Formel als Blaupause zur Bestimmung der Größe des elektrischen Feldes, das erforderlich ist, um die Elektronen eines Isolators von seinen unteren Bändern zu seinen oberen Bändern zu bewegen. Aber Experimente in den Jahrzehnten seitdem haben gezeigt, dass Materialien ein viel kleineres elektrisches Feld benötigen – etwa 1.000 Mal kleiner – als die Landau-Zener-Formel vermutet.

„Es gibt also eine große Diskrepanz und wir brauchen eine bessere Theorie“, sagt Han.

Um dieses Problem zu lösen, beschloss Han, eine andere Frage in Betracht zu ziehen: Was passiert, wenn Elektronen, die sich bereits im oberen Band eines Isolators befinden, gedrückt werden?

Han führte eine Computersimulation des Widerstandsschaltens durch, die das Vorhandensein von Elektronen im oberen Band berücksichtigte. Es zeigte sich, dass ein relativ kleines elektrisches Feld einen Zusammenbruch der Lücke zwischen dem unteren und dem oberen Band auslösen könnte, wodurch ein Quantenpfad für die Elektronen entsteht, der zwischen den Bändern auf und ab wandert.

Um eine Analogie zu ziehen, sagt Han: „Stellen Sie sich vor, einige Elektronen bewegen sich im zweiten Stock. Wenn der Boden durch ein elektrisches Feld geneigt wird, beginnen sich nicht nur Elektronen zu bewegen, es öffnen sich auch zuvor verbotene Quantenübergänge und die Stabilität des Bodens bricht abrupt zusammen, wodurch die Elektronen auf verschiedenen Böden auf und ab fließen.

„Die Frage ist dann nicht mehr, wie die Elektronen im unteren Stockwerk nach oben springen, sondern wie stabil höhere Stockwerke unter einem elektrischen Feld sind.“

Diese Idee hilft, einige der Unstimmigkeiten in der Landau-Zener-Formel zu lösen, sagt Han. Es bringt auch etwas Klarheit in die Debatte über Isolator-Metall-Übergänge, die durch Elektronen selbst oder durch extreme Hitze verursacht werden. Hans Simulation legt nahe, dass die Quantenlawine nicht durch Hitze ausgelöst wird. Der vollständige Übergang vom Isolator zum Metall findet jedoch erst dann statt, wenn die getrennten Temperaturen der Elektronen und Phononen – Quantenschwingungen der Kristallatome – im Gleichgewicht sind. Dies zeige, dass die Mechanismen für elektronisches und thermisches Schalten einander nicht ausschließen, sagt Han, sondern stattdessen gleichzeitig auftreten können.

„Wir haben also einen Weg gefunden, einige Aspekte dieses gesamten Widerstandsschaltphänomens zu verstehen“, sagt Han. „Aber ich denke, es ist ein guter Ausgangspunkt.“

Die Studie wurde von Jonathan Bird, PhD, Professor und Lehrstuhlinhaber für Elektrotechnik an der School of Engineering and Applied Sciences der UB, mitverfasst, der den experimentellen Kontext lieferte. Sein Team hat die elektrischen Eigenschaften neu entstehender Nanomaterialien untersucht, die bei niedrigen Temperaturen neuartige Zustände aufweisen, was Forschern viel über die komplexe Physik lehren kann, die das elektrische Verhalten bestimmt.

„Während sich unsere Studien auf die Lösung grundlegender Fragen zur Physik neuer Materialien konzentrieren, könnten die elektrischen Phänomene, die wir in diesen Materialien aufdecken, letztendlich die Grundlage für neue mikroelektronische Technologien bilden, beispielsweise kompakte Speicher für den Einsatz in datenintensiven Anwendungen wie künstlicher Intelligenz.“ “, sagt Bird.

Die Forschung könnte auch für Bereiche wie das neuromorphe Computing von entscheidender Bedeutung sein, bei dem versucht wird, die elektrische Stimulation des menschlichen Nervensystems nachzuahmen. „Unser Fokus liegt jedoch in erster Linie auf dem Verständnis der grundlegenden Phänomenologie“, sagt Bird.

Seit der Veröffentlichung des Artikels hat Han eine analytische Theorie entwickelt, die gut mit der Berechnung des Computers übereinstimmt. Dennoch gibt es für ihn noch mehr zu erforschen, etwa die genauen Bedingungen, unter denen eine Quantenlawine stattfinden kann.

„Jemand, ein Experimentator, wird mich fragen: ‚Warum habe ich das nicht schon früher gesehen?‘“, sagt Han. „Einige haben es vielleicht gesehen, andere vielleicht nicht. Wir haben noch viel Arbeit vor uns, um das in den Griff zu bekommen.“

Referenz: „Korrelierter Isolatorkollaps aufgrund von Quantenlawine über In-Gap-Leiterzustände“ von Jong E. Han, Camille Aron, Xi Chen, Ishiaka Mansaray, Jae-Ho Han, Ki-Seok Kim, Michael Randle und Jonathan P. Bird, 22. Mai 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38557-8

Weitere Autoren sind der UB-Physik-Doktorand Xi Chen; Ishiaka Mansaray, der in Physik promoviert hat und jetzt Postdoktorand am National Institute of Standards and Technology ist; und Michael Randle, der in Elektrotechnik promovierte und jetzt Postdoktorand am Riken-Forschungsinstitut in Japan ist. Weitere Autoren sind internationale Forscher der École Normale Supérieure, des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Paris; Pohang Universität für Wissenschaft und Technologie; und das Zentrum für Theoretische Physik komplexer Systeme, Institut für Grundlagenwissenschaften.