“Avalanche Quântica”

Pela Universidade de Buffalo, 13 de agosto de 2023

Desvendando o mistério das transições isolante-metal, uma nova pesquisa sobre a “avalanche quântica” revela novos insights sobre a comutação resistiva e oferece possíveis avanços na microeletrônica.

Novo estudo resolve o mistério da transição do isolador para o metal

Um estudo explorou as transições isolante-metal, descobrindo discrepâncias na fórmula tradicional de Landau-Zener e oferecendo novos insights sobre comutação resistiva. Ao utilizar simulações computacionais, a pesquisa destaca a mecânica quântica envolvida e sugere que a comutação eletrônica e térmica pode surgir simultaneamente, com aplicações potenciais em microeletrônica e computação neuromórfica.

Olhando apenas para as suas partículas subatómicas, a maioria dos materiais pode ser colocada numa de duas categorias.

Os metais – como o cobre e o ferro – têm electrões de fluxo livre que lhes permitem conduzir electricidade, enquanto os isolantes – como o vidro e a borracha – mantêm os seus electrões firmemente ligados e, portanto, não conduzem electricidade.

Os isoladores podem se transformar em metais quando atingidos por um campo elétrico intenso, oferecendo possibilidades tentadoras para a microeletrônica e a supercomputação, mas a física por trás desse fenômeno chamado comutação resistiva não é bem compreendida.

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"}]">O teórico da matéria condensada da Universidade de Buffalo, Jong Han.

“Estou obcecado por isso”, diz ele.

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"}]">Comunicações da Natureza.

O professor de física da Universidade de Buffalo, Jong Han, é o autor principal de um novo estudo que ajuda a resolver um antigo mistério da física sobre como os isoladores fazem a transição para metais por meio de um campo elétrico, um processo conhecido como comutação resistiva. Crédito: Douglas Levere, Universidade de Buffalo

A diferença entre metais e isolantes reside nos princípios da mecânica quântica, que determinam que os elétrons são partículas quânticas e seus níveis de energia vêm em bandas que possuem lacunas proibidas, diz Han.

Desde a década de 1930, a fórmula Landau-Zener tem servido como modelo para determinar o tamanho do campo elétrico necessário para empurrar os elétrons de um isolante das bandas inferiores para as bandas superiores. Mas as experiências realizadas nas décadas seguintes mostraram que os materiais requerem um campo eléctrico muito menor – aproximadamente 1.000 vezes menor – do que o estimado pela fórmula de Landau-Zener.

“Portanto, há uma enorme discrepância e precisamos de uma teoria melhor”, diz Han.

Para resolver isso, Han decidiu considerar uma questão diferente: o que acontece quando os elétrons que já estão na banda superior de um isolante são empurrados?