„Quantenlawine“ erklärt, wie Nichtleiter zu Leitern werden

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.

Fragen wie die Frage, wie groß ein elektrisches Feld sein muss, werden von Wissenschaftlern, wie dem Theoretiker der kondensierten Materie Jong Han von der Universität Buffalo, heftig diskutiert.

„Davon war ich besessen“, sagt er.

Han, Ph.D., Professor für Physik am College of Arts and Sciences, ist der Hauptautor einer Studie, die einen neuen Ansatz verfolgt, um ein seit langem bestehendes Rätsel über Isolator-zu-Metall-Übergänge zu lösen. Die Studie „Corlated insulator Collapse due to Quantum Avalanche via In-Gap Ladder States“ wurde im Mai veröffentlicht Naturkommunikation.

Der Quantenpfad ermöglicht es Elektronen, sich zwischen Bändern zu bewegen

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 auf einer zweiten Etage. Wenn der Boden durch ein elektrisches Feld geneigt wird, beginnen sich nicht nur Elektronen zu bewegen, sondern es öffnen sich auch bisher verbotene Quantenübergänge und die Stabilität des Bodens bricht plötzlich zusammen, wodurch die Elektronen auf verschiedenen Etagen auf und ab fließen.“

„Die Frage ist dann nicht mehr, wie die Elektronen im untersten 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 Atome des Kristalls – 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.“

Forschung könnte die Mikroelektronik verbessern

Die Studie wurde von Jonathan Bird, Ph.D., 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 vor allem auf dem Verständnis der grundlegenden Phänomenologie“, sagt Bird.

Zu den weiteren Autoren zählen UB-Physik-Ph.D. Student Xi Chen; Ishiaka Mansaray, der einen Ph.D. erhielt. in Physik und ist jetzt Postdoktorand am National Institute of Standards and Technology, und Michael Randle, der einen Ph.D. in Elektrotechnik und ist jetzt Postdoc am Forschungsinstitut Riken in Japan. Weitere Autoren sind internationale Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, der Pohang University of Science and Technology und des Center for Theoretical Physics of Complex Systems, Institute for Basic Science.

Seit der Veröffentlichung des Papiers hat Han eine entwickelt analytische Theorie das passt gut zur Berechnung des Computers. 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 zu klären.“