“Avalancha Cuántica”

Por Universidad de Buffalo 13 de agosto de 2023

Al desentrañar el misterio de las transiciones de aislante a metal, una nueva investigación sobre la "avalancha cuántica" descubre nuevos conocimientos sobre la conmutación resistiva y ofrece posibles avances en microelectrónica.

Un nuevo estudio resuelve el misterio sobre la transición de aislante a metal

Un estudio exploró las transiciones de aislante a metal, descubriendo discrepancias en la fórmula tradicional de Landau-Zener y ofreciendo nuevos conocimientos sobre la conmutación resistiva. Mediante el uso de simulaciones por computadora, la investigación destaca la mecánica cuántica involucrada y sugiere que la conmutación electrónica y térmica pueden surgir simultáneamente, con aplicaciones potenciales en microelectrónica y computación neuromórfica.

Si nos fijamos únicamente en sus partículas subatómicas, la mayoría de los materiales pueden clasificarse en una de dos categorías.

Los metales (como el cobre y el hierro) tienen electrones que fluyen libremente y les permiten conducir la electricidad, mientras que los aislantes (como el vidrio y el caucho) mantienen sus electrones fuertemente unidos y, por lo tanto, no conducen la electricidad.

Los aisladores pueden convertirse en metales cuando son golpeados por un campo eléctrico intenso, lo que ofrece posibilidades tentadoras para la microelectrónica y la supercomputación, pero la física detrás de este fenómeno llamado conmutación resistiva no se comprende bien.

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, teórico de la materia condensada de la Universidad de Buffalo.

“Eso me ha obsesionado”, 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"}]">Comunicaciones de la naturaleza.

El profesor de física de la Universidad de Buffalo, Jong Han, es el autor principal de un nuevo estudio que ayuda a resolver un antiguo misterio de la física sobre cómo los aisladores se transforman en metales a través de un campo eléctrico, un proceso conocido como conmutación resistiva. Crédito: Douglas Levere, Universidad de Buffalo

La diferencia entre metales y aislantes radica en los principios de la mecánica cuántica, que dictan que los electrones son partículas cuánticas y sus niveles de energía se presentan en bandas que tienen espacios prohibidos, dice Han.

Desde la década de 1930, la fórmula de Landau-Zener ha servido como modelo para determinar el tamaño del campo eléctrico necesario para empujar los electrones de un aislante desde sus bandas inferiores a sus bandas superiores. Pero los experimentos realizados en las décadas posteriores han demostrado que los materiales requieren un campo eléctrico mucho más pequeño (aproximadamente 1.000 veces más pequeño) que el estimado por la fórmula de Landau-Zener.

"Por lo tanto, existe una enorme discrepancia y necesitamos tener una teoría mejor", dice Han.

Para resolver esto, Han decidió considerar una pregunta diferente: ¿Qué sucede cuando se empujan los electrones que ya se encuentran en la banda superior de un aislante?

Han realizó una simulación por computadora de conmutación resistiva que tuvo en cuenta la presencia de electrones en la banda superior. Demostró que un campo eléctrico relativamente pequeño podría desencadenar un colapso de la brecha entre las bandas inferior y superior, creando una ruta cuántica para que los electrones subieran y bajaran entre las bandas.

Para hacer una analogía, Han dice: “Imagínese que algunos electrones se mueven en un segundo piso. Cuando el suelo se inclina por un campo eléctrico, los electrones no sólo comienzan a moverse, sino que se abren transiciones cuánticas previamente prohibidas y la estabilidad misma del suelo se desmorona abruptamente, haciendo que los electrones de diferentes pisos fluyan hacia arriba y hacia abajo.

"Entonces la cuestión ya no es cómo saltan los electrones del piso inferior, sino la estabilidad de los pisos superiores bajo un campo eléctrico".

Esta idea ayuda a resolver algunas de las discrepancias en la fórmula Landau-Zener, dice Han. También proporciona cierta claridad al debate sobre las transiciones de aislante a metal causadas por los propios electrones o por calor extremo. La simulación de Han sugiere que la avalancha cuántica no es provocada por el calor. Sin embargo, la transición completa de aislante a metal no ocurre hasta que las temperaturas separadas de los electrones y fonones (vibraciones cuánticas de los átomos del cristal) se equilibran. Esto demuestra que los mecanismos de conmutación electrónica y térmica no son excluyentes entre sí, afirma Han, sino que pueden surgir simultáneamente.

"Así que hemos encontrado una manera de comprender algún rincón de todo este fenómeno de conmutación resistiva", dice Han. "Pero creo que es un buen punto de partida".

El estudio fue coautor de Jonathan Bird, PhD, profesor y catedrático de ingeniería eléctrica en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB, quien proporcionó el contexto experimental. Su equipo ha estado estudiando las propiedades eléctricas de nanomateriales emergentes que exhiben estados novedosos a bajas temperaturas, lo que puede enseñar mucho a los investigadores sobre la compleja física que gobierna el comportamiento eléctrico.

“Si bien nuestros estudios se centran en resolver cuestiones fundamentales sobre la física de nuevos materiales, los fenómenos eléctricos que revelamos en estos materiales podrían, en última instancia, proporcionar la base de nuevas tecnologías microelectrónicas, como memorias compactas para su uso en aplicaciones con uso intensivo de datos, como la inteligencia artificial. ”, dice Bird.

La investigación también podría ser crucial para áreas como la computación neuromórfica, que intenta emular la estimulación eléctrica del sistema nervioso humano. "Sin embargo, nuestro enfoque se centra principalmente en comprender la fenomenología fundamental", dice Bird.

Desde que publicó el artículo, Han ha ideado una teoría analítica que coincide bien con el cálculo de la computadora. Aún así, hay más que investigar, como las condiciones exactas necesarias para que ocurra una avalancha cuántica.

“Alguien, un experimentador, me preguntará: '¿Por qué no vi eso antes?'”, dice Han. “Es posible que algunos lo hayan visto, otros no. Tenemos mucho trabajo por delante para solucionarlo”.

Referencia: “Colapso correlacionado del aislante debido a una avalancha cuántica a través de estados de escalera en el espacio” por Jong E. Han, Camille Aron, Xi Chen, Ishiaka Mansaray, Jae-Ho Han, Ki-Seok Kim, Michael Randle y Jonathan P. Bird, 22 de mayo de 2023, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-023-38557-8

Otros autores incluyen al estudiante de doctorado en física de la UB Xi Chen; Ishiaka Mansaray, quien recibió un doctorado en física y ahora es un postdoctorado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología; y Michael Randle, que recibió un doctorado en ingeniería eléctrica y ahora es un postdoctorado en el instituto de investigación Riken en Japón. Otros autores incluyen investigadores internacionales que representan a la École Normale Supérieure, el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS) en París; Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang; y el Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos, Instituto de Ciencias Básicas.