“量子雪崩”解開絕緣體到金屬轉變之謎

布法羅大學物理學教授鐘漢（音譯）是一項新研究的主要作者，該研究有助于解決一個長期存在的物理謎團，即絕緣體如何通過電場轉變為金屬，這一過程稱為電阻開關。

　　美國布法羅大學研究人員用“量子雪崩”解釋了非導體如何變成導體，解開了絕緣體到金屬轉變之謎。相關研究發表在近期的《自然·通訊》雜志上。

　　絕緣體受到強烈的電場沖擊時可變成金屬，這為微電子學和超級計算機提供了誘人的可能性，但科學家尚不清楚這種電阻開關現象背后的物理原理。

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

　　自20世紀30年代以來，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大小。但此后幾十年的實驗表明，材料需要的電場比朗道—齊納公式估計的要小得多，僅為1/1000左右。

　　為了解決這個問題，研究人員決定考慮一個不同的問題：當絕緣體上能帶中的電子被推動時會發生什么？于是，他們對電阻開關進行了計算機模擬，這解釋了上能帶中電子的存在。它表明，一個相對較小的電場可引發上下能級之間的間隙坍塌，為電子在能級之間上上下下創造一條量子路徑。

　　打個比方，想象一些電子在二樓移動。當地板被電場傾斜時，電子不僅開始移動，而且以前被禁止的量子躍遷打開，樓層的穩定性突然崩潰，使不同樓層的電子上下流動。

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

　　模擬表明，“量子雪崩”不是由熱引發的。直到電子和聲子（晶體原子的量子振動）的單獨溫度達到平衡，才會發生完全的絕緣體到金屬的轉變。這表明電子開關和熱開關的機制并不是相互排斥的，而是可以同時出現的。