Descubriendo El Misterio De Las Transiciones De Material Aislante A Metal: Un Estudio De Avalancha Cuántica
La mayor parte de los materiales pueden clasificarse en dos categorías en función de sus características subatómicas: metales y aislantes. Como el cobre y el hierro, los metales poseen electrones libres que les permiten conducir la electricidad, mientras que los materiales aislantes, como el vidrio y el caucho, unen fuertemente sus electrones, por lo que no son conductores.
Los aislantes pueden transformarse en metales cuando se exponen a un potente campo eléctrico, lo que ofrece interesantes posibilidades para la microelectrónica y la supercomputación. Sin un conocimiento profundo de la física que subyace a este fenómeno, la conmutación resistiva, científicos como Jong Han, teórico de la materia condensada de la Universidad de Buffalo, mantienen un intenso debate.
Son los responsables de un estudio titulado “Correlated insulator collapse due to quantum avalanche via in-gap ladder states”, publicado en Nature Communications en mayo.
Las diferencias radican en los principios de la mecánica cuántica
La diferencia fundamental entre los metales y los aislantes radica en los principios de la mecánica cuántica. Los electrones, al ser partículas cuánticas, presentan niveles de energía organizados en bandas que contienen huecos prohibidos, como explica Han.
Tradicionalmente, la fórmula de Landau-Zener, formulada en la década de 1930, servía para determinar la intensidad de campo eléctrico necesaria para empujar los electrones de un aislante de las bandas inferiores a las superiores. Pero los experimentos realizados durante décadas han revelado una discrepancia significativa: el campo eléctrico real necesario es aproximadamente 1.000 veces menor que el predicho por la fórmula.
Un nuevo planteamiento: Análisis de los electrones de la banda superior
Para abordar este enigma, la Dra. Han exploró una cuestión diferente: ¿Qué ocurre cuando los electrones ya se encuentran en la banda superior de un aislante y se someten a un campo eléctrico?
Mediante simulaciones por ordenador de conmutación resistiva que tenían en cuenta la presencia de electrones en la banda superior, Han hizo un descubrimiento sorprendente. El descubrimiento fue notable: un campo eléctrico relativamente modesto podía provocar el colapso de la brecha entre las bandas inferior y superior, estableciendo un camino cuántico para que los electrones subieran y bajaran entre las barras.
Una analogía para entender el concepto
Imagínense que los electrones se mueven por un segundo piso. Cuando un campo eléctrico inclina el suelo, se producen transiciones cuánticas antes prohibidas que rompen la estructura estable del suelo. Como consecuencia, los electrones pueden fluir libremente entre los distintos pisos.
Esta nueva idea ayuda a reconciliar las discrepancias en la fórmula de Landau-Zener y aclara el debate sobre las transiciones de aislante a metal, ya sean causadas por electrones o por calor extremo. Las simulaciones de la Dra. Han sugieren que el calor no desencadena la avalancha cuántica.
Pero la transición completa de aislante a metal sólo se produce cuando se equilibran las temperaturas separadas de los electrones y los fonones, lo que indica que pueden coexistir mecanismos de conmutación electrónicos y térmicos.
Avances potenciales en microelectrónica
Los resultados del estudio, del que es coautor el Dr. Jonathan Bird, profesor y catedrático de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB, son prometedores para el avance de la microelectrónica.
Los investigadores del equipo de Bird han estudiado nanomateriales emergentes con nuevos estados eléctricos a bajas temperaturas, lo que les ha permitido comprender mejor la compleja física que rige el comportamiento eléctrico.
Estos hallazgos podrían sentar las bases de nuevas tecnologías microelectrónicas, como memorias compactas para aplicaciones con gran cantidad de datos, como la inteligencia artificial.
Hacia el futuro: Investigación de la avalancha cuántica
Desde su publicación, Han ha desarrollado una teoría analítica que concuerda con las simulaciones por ordenador. Sin embargo, aún queda mucho por explorar, como determinar las condiciones necesarias para que se produzca una avalancha cuántica.
El investigador está impaciente por seguir investigando y espera que los experimentadores contribuyan a desentrañar los entresijos de este intrigante fenómeno.
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