美國(guó)布法羅大學(xué)研究人員用“量子雪崩”解釋了非導(dǎo)體如何變成導(dǎo)體，解開(kāi)了絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變之謎。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《自然·通訊》雜志上。

絕緣體受到強(qiáng)烈的電場(chǎng)沖擊時(shí)可變成金屬，這為微電子學(xué)和超級(jí)計(jì)算機(jī)提供了誘人的可能性，但科學(xué)家尚不清楚這種電阻開(kāi)關(guān)現(xiàn)象背后的物理原理。

研究人員表示，金屬和絕緣體之間的區(qū)別在于量子力學(xué)原理，該原理規(guī)定電子是量子粒子，它們的能級(jí)位于具有禁帶的能帶中。

自20世紀(jì)30年代以來(lái)，朗道—齊納公式一直用于解釋將絕緣體的電子從較低能帶推至較高能帶所需的電場(chǎng)大小。但此后幾十年的實(shí)驗(yàn)表明，材料需要的電場(chǎng)比朗道—齊納公式估計(jì)的要小得多，僅為1/1000左右。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員決定考慮一個(gè)不同的問(wèn)題：當(dāng)絕緣體上能帶中的電子被推動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？于是，他們對(duì)電阻開(kāi)關(guān)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，這解釋了上能帶中電子的存在。它表明，一個(gè)相對(duì)較小的電場(chǎng)可引發(fā)上下能級(jí)之間的間隙坍塌，為電子在能級(jí)之間上上下下創(chuàng)造一條量子路徑。

打個(gè)比方，想象一些電子在二樓移動(dòng)。當(dāng)?shù)匕灞浑妶?chǎng)傾斜時(shí)，電子不僅開(kāi)始移動(dòng)，而且以前被禁止的量子躍遷打開(kāi)，樓層的穩(wěn)定性突然崩潰，使不同樓層的電子上下流動(dòng)。

這之后的問(wèn)題不再是底層的電子如何向上跳躍，而是較高層在電場(chǎng)下的穩(wěn)定性。這個(gè)想法有助于解決朗道—齊納公式中的一些差異。這也為關(guān)于由電子本身引起的絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變或由極端高溫引起的絕緣體到金屬轉(zhuǎn)變的爭(zhēng)論提供了一些清晰的證據(jù)。

模擬表明，“量子雪崩”不是由熱引發(fā)的。直到電子和聲子（晶體原子的量子振動(dòng)）的單獨(dú)溫度達(dá)到平衡，才會(huì)發(fā)生完全的絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變。這表明電子開(kāi)關(guān)和熱開(kāi)關(guān)的機(jī)制并不是相互排斥的，而是可以同時(shí)出現(xiàn)的。