“量子雪崩”解开绝缘体到金属转变之谜

美国布法罗大学研究人员用“量子雪崩”解释了非导体如何变成导体，解开了绝缘体到金属转变之谜。相关研究发表在近期的《自然·通讯》杂志上。

绝缘体受到强烈的电场冲击时可变成金属，这为微电子学和超级计算机提供了诱人的可能性，但科学家尚不清楚这种电阻开关现象背后的物理原理。

研究人员表示，金属和绝缘体之间的区别在于量子力学原理，该原理规定电子是量子粒子，它们的能级位于具有禁带的能带中。

自20世纪30年代以来，朗道—齐纳公式一直用于解释将绝缘体的电子从较低能带推至较高能带所需的电场大小。但此后几十年的实验表明，材料需要的电场比朗道—齐纳公式估计的要小得多，仅为1/1000左右。

为了解决这个问题，研究人员决定考虑一个不同的问题：当绝缘体上能带中的电子被推动时会发生什么？于是，他们对电阻开关进行了计算机模拟，这解释了上能带中电子的存在。它表明，一个相对较小的电场可引发上下能级之间的间隙坍塌，为电子在能级之间上上下下创造一条量子路径。

打个比方，想象一些电子在二楼移动。当地板被电场倾斜时，电子不仅开始移动，而且以前被禁止的量子跃迁打开，楼层的稳定性突然崩溃，使不同楼层的电子上下流动。

这之后的问题不再是底层的电子如何向上跳跃，而是较高层在电场下的稳定性。这个想法有助于解决朗道—齐纳公式中的一些差异。这也为关于由电子本身引起的绝缘体到金属的转变或由极端高温引起的绝缘体到金属转变的争论提供了一些清晰的证据。

模拟表明，“量子雪崩”不是由热引发的。直到电子和声子（晶体原子的量子振动）的单独温度达到平衡，才会发生完全的绝缘体到金属的转变。这表明电子开关和热开关的机制并不是相互排斥的，而是可以同时出现的。