僅從亞原子粒子來看，大多數材料可分為兩類。金屬--如銅和鐵--具有自由流動的電子，可以導電；而絕緣體--如玻璃和橡膠--電子緊密結合，因此不能導電。絕緣體在遇到強電場時可以變成金屬，這為微電子學和超級計算提供了誘人的可能性，但人們對這種被稱為電阻開關的現象背后的物理學原理還不甚了解。

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對 "量子雪崩"的新研究揭開了絕緣體到金屬轉變的神秘面紗，發(fā)現了電阻開關的新見解，并為微電子學帶來了潛在的突破。

對于需要多大的電場等問題，科學家們展開了激烈的爭論，比如布法羅大學凝聚態(tài)物質理論家Jong Han。

韓博士是文理學院物理學教授，他是一項研究的第一作者，該研究采用新方法解答了絕緣體到金屬轉變的一個長期謎團。這項題為"通過隙內梯形態(tài)的量子雪崩導致的相關絕緣體塌縮"的研究于今年五月發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

布法羅大學物理學教授 Jong Han 是一項新研究的第一作者，該研究有助于解開一個長期存在的物理學謎團，即絕緣體如何通過電場轉變?yōu)榻饘?，這一過程被稱為電阻開關。圖片來源：布法羅大學 Douglas Levere

電子通過量子路徑運動

Han說，金屬和絕緣體的區(qū)別在于量子力學原理，量子力學原理規(guī)定電子是量子粒子，它們的能級在具有禁帶間隙的帶中運動。

自 20 世紀 30 年代以來，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大小的藍圖。但此后幾十年的實驗表明，材料所需的電場要比朗道-齊納公式估計的小得多，大約小 1000 倍。

"因此，存在著巨大的差異，我們需要一個更好的理論，"Han 說。

解決差異

為了解決這個問題，Han 決定考慮一個不同的問題： 當已經在絕緣體上帶的電子被推動時會發(fā)生什么？

Han 利用計算機模擬了電阻開關，其中考慮到了上帶電子的存在。結果表明，一個相對較小的電場就能引發(fā)下帶和上帶之間間隙的塌縮，為電子在帶間上下移動創(chuàng)造量子路徑。

Han 打了個比方："想象一些電子在二樓移動。當地板被電場傾斜時，電子不僅開始移動，而且以前被禁止的量子躍遷打開了，地板的穩(wěn)定性突然崩潰，使不同樓層的電子上下流動。那么，問題就不再是底層的電子如何跳起來，而是更高的樓層在電場作用下的穩(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于由電子本身引起的絕緣體到金屬的轉變或由極熱引起的轉變的爭論。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變要等到電子和聲子（晶體原子的量子振動）的溫度達到平衡時才會發(fā)生。Han說，這表明電子和熱轉換的機制并不是相互排斥的，而是可以同時發(fā)生的。

"因此，我們找到了一種理解整個電阻開關現象某些角落的方法，"Han 說。"但我還認為這是一個很好的起點。"

研究可改進微電子學

這項研究的共同作者是哥倫比亞大學工程與應用科學學院電子工程系教授兼系主任喬納森-伯德（Jonathan Bird）博士，他提供了實驗背景。他的團隊一直在研究在低溫下呈現出新狀態(tài)的新興納米材料的電學特性，這可以讓研究人員學到很多關于支配電學行為的復雜物理知識。

伯德說："雖然我們的研究側重于解決新材料物理學的基本問題，但我們在這些材料中揭示的電學現象最終可能為新的微電子技術奠定基礎，例如用于人工智能等數據密集型應用的緊湊型存儲器。"

潛在應用

這項研究對于試圖模擬人類神經系統(tǒng)電刺激的神經形態(tài)計算等領域也至關重要。"不過，我們的重點主要是理解基本現象學，"伯德說。

自論文發(fā)表以來，Han 已經設計出一種分析理論，與計算機的計算結果非常吻合。不過，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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