En révélant le mystère des transitions isolant-métal, de nouvelles recherches sur « l’avalanche quantique » révèlent de nouvelles connaissances sur la commutation résistive et offrent des percées potentielles en microélectronique.
Une nouvelle étude résout le mystère de la transition isolant-métal
Une étude a exploré les transitions isolant-métal, révélant des divergences dans la formule traditionnelle de Landau-Zener et offrant de nouvelles perspectives sur la commutation résistive. En utilisant des simulations informatiques, la recherche met en évidence la mécanique quantique impliquée et suggère que les commutations électronique et thermique peuvent survenir simultanément, avec des applications potentielles en microélectronique et en informatique neuromorphique.
En considérant uniquement leurs particules subatomiques, la plupart des matériaux peuvent être classés dans l’une des deux catégories suivantes.
Les métaux, comme le cuivre et le fer, possèdent des électrons libres qui leur permettent de conduire l’électricité, tandis que les isolants, comme le verre et le caoutchouc, maintiennent leurs électrons étroitement liés et ne conduisent donc pas l’électricité.
Les isolants peuvent se transformer en métaux lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique intense, offrant des possibilités alléchantes pour la microélectronique et la superinformatique, mais la physique derrière ce phénomène appelé commutation résistive n’est pas bien comprise.
Le mystère des transitions isolant-métal
Des questions telles que l’ampleur nécessaire d’un champ électrique sont âprement débattues par les scientifiques, comme Université de Buffalo Jong Han, théoricien de la matière condensée.
«J’ai été obsédé par ça», dit-il.
Han, PhD, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences, est l’auteur principal d’une étude qui adopte une nouvelle approche pour répondre à un mystère de longue date sur les transitions isolant-métal. L’étude, « Effondrement corrélé de l’isolant dû à une avalanche quantique via des états d’échelle in-gap», a été publié en mai dans Communications naturelles.
Jong Han, professeur de physique à l’Université de Buffalo, est l’auteur principal d’une nouvelle étude qui aide à résoudre un mystère physique de longue date sur la façon dont les isolants se transforment en métaux via un champ électrique, un processus connu sous le nom de commutation résistive. Crédit : Douglas Levere, Université de Buffalo
Les électrons se déplacent à travers des chemins quantiques
La différence entre les métaux et les isolants réside dans les principes de la mécanique quantique, qui dictent que les électrons sont des particules quantiques et que leurs niveaux d’énergie se présentent dans des bandes comportant des espaces interdits, explique Han.
Depuis les années 1930, la formule de Landau-Zener sert de modèle pour déterminer la taille du champ électrique nécessaire pour pousser les électrons d’un isolant de ses bandes inférieures vers ses bandes supérieures. Mais les expériences menées au cours des décennies suivantes ont montré que les matériaux nécessitent un champ électrique beaucoup plus petit – environ 1 000 fois plus petit – que celui estimé par la formule de Landau-Zener.
« Il y a donc un énorme écart et nous avons besoin d’une meilleure théorie », dit Han.
Résoudre les divergences
Pour résoudre ce problème, Han a décidé d’examiner une question différente : que se passe-t-il lorsque des électrons déjà présents dans la bande supérieure d’un isolant sont poussés ?
Han a exécuté une simulation informatique de commutation résistive qui tenait compte de la présence d’électrons dans la bande supérieure. Il a montré qu’un champ électrique relativement petit pouvait déclencher un effondrement de l’écart entre les bandes inférieure et supérieure, créant ainsi un chemin quantique permettant aux électrons de monter et descendre entre les bandes.
Pour faire une analogie, Han dit : « Imaginez que des électrons se déplacent au deuxième étage. Lorsque le sol est incliné par un champ électrique, non seulement les électrons commencent à se déplacer, mais des transitions quantiques auparavant interdites s’ouvrent et la stabilité même du sol s’effondre brusquement, faisant circuler les électrons des différents étages de haut en bas.
« La question n’est alors plus de savoir comment les électrons de l’étage inférieur sautent, mais de savoir quelle est la stabilité des étages supérieurs sous un champ électrique. »
Cette idée aide à résoudre certaines des divergences dans la formule Landau-Zener, dit Han. Cela apporte également une certaine clarté au débat sur les transitions isolant-métal provoquées par les électrons eux-mêmes ou celles provoquées par une chaleur extrême. La simulation de Han suggère que l’avalanche quantique n’est pas déclenchée par la chaleur. Cependant, la transition complète entre l’isolant et le métal ne se produit que lorsque les températures séparées des électrons et des phonons (les vibrations quantiques des atomes du cristal) s’équilibrent. Cela montre que les mécanismes de commutation électronique et thermique ne s’excluent pas l’un l’autre, dit Han, mais peuvent au contraire survenir simultanément.
« Nous avons donc trouvé un moyen de comprendre certains aspects de tout ce phénomène de commutation résistive », explique Han. « Mais je pense que c’est un bon point de départ. »
La recherche pourrait améliorer la microélectronique
L’étude a été co-écrite par Jonathan Bird, PhD, professeur et président de génie électrique à la School of Engineering and Applied Sciences de l’UB, qui a fourni le contexte expérimental. Son équipe étudie les propriétés électriques de nanomatériaux émergents qui présentent de nouveaux états à basse température, ce qui peut en apprendre beaucoup aux chercheurs sur la physique complexe qui régit le comportement électrique.
« Alors que nos études visent à résoudre des questions fondamentales sur la physique des nouveaux matériaux, les phénomènes électriques que nous révélons dans ces matériaux pourraient à terme constituer la base de nouvelles technologies microélectroniques, telles que des mémoires compactes destinées à être utilisées dans des applications gourmandes en données comme l’intelligence artificielle. « , dit Bird.
Applications potentielles
La recherche pourrait également être cruciale dans des domaines tels que l’informatique neuromorphique, qui tente d’imiter la stimulation électrique du système nerveux humain. « Cependant, notre objectif est principalement de comprendre la phénoménologie fondamentale », explique Bird.
Depuis la publication de l’article, Han a élaboré une théorie analytique cela correspond bien au calcul de l’ordinateur. Pourtant, il lui reste encore beaucoup à étudier, comme les conditions exactes nécessaires au déclenchement d’une avalanche quantique.
« Quelqu’un, un expérimentateur, va me demander : « Pourquoi n’ai-je pas vu ça avant ? » », dit Han. «Certains l’ont peut-être vu, d’autres peut-être pas. Nous avons beaucoup de travail devant nous pour régler ce problème.
Parmi les autres auteurs figurent Xi Chen, doctorant en physique à l’UB ; Ishiaka Mansaray, titulaire d’un doctorat en physique et actuellement postdoctorant à l’Institut national des normes et de la technologie ; et Michael Randle, titulaire d’un doctorat en génie électrique et actuellement postdoctorant à l’institut de recherche Riken au Japon. Parmi les autres auteurs figurent des chercheurs internationaux représentant l’École Normale Supérieure du Centre national français de la recherche scientifique (CNRS) à Paris ; Université des sciences et technologies de Pohang ; et le Centre de physique théorique des systèmes complexes, Institut des sciences fondamentales.
