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Jun 21, 2023

Die Physik hinter Insulator

Die meisten Materialien können aufgrund des Verhaltens ihrer subatomaren Teilchen entweder als Metalle oder als Isolatoren klassifiziert werden. Metalle wie Kupfer und Eisen verfügen über frei fließende Elektronen, die ihnen dies ermöglichen

Die meisten Materialien können aufgrund des Verhaltens ihrer subatomaren Teilchen entweder als Metalle oder als Isolatoren klassifiziert werden. Metalle wie Kupfer und Eisen verfügen über frei fließende Elektronen, die es ihnen ermöglichen, Elektrizität zu leiten. Andererseits halten Isolatoren wie Glas und Gummi ihre Elektronen fest gebunden und leiten keinen Strom.

Widerstandsschalten, ein Phänomen, bei dem sich Isolatoren unter dem Einfluss eines starken elektrischen Feldes in Metalle verwandeln, hat Wissenschaftler wegen seiner möglichen Anwendungen in der Mikroelektronik und im Supercomputing fasziniert. Die Physik hinter diesem Übergang, insbesondere die Größe des erforderlichen elektrischen Feldes, bleibt jedoch unklar.

Jong Han, ein Theoretiker der kondensierten Materie an der UB, hat eine Studie geleitet, die einen neuen Ansatz verfolgt, um dieses anhaltende Rätsel zu verstehen. Die Studie mit dem Titel „Korrelierter Isolatorkollaps aufgrund von Quantenlawine über In-Gap-Leiterzustände“ untersucht den Übergang vom Isolator zum Metall.

Der Unterschied zwischen Metallen und Isolatoren liegt in quantenmechanischen Prinzipien, insbesondere in verbotenen Energielücken in den Energieniveaus von Elektronen. Die in den 1930er Jahren entwickelte Landau-Zener-Formel wurde verwendet, um das elektrische Feld zu bestimmen, das erforderlich ist, um die Elektronen eines Isolators über diese Energielücken zu drücken. Experimentelle Ergebnisse haben jedoch gezeigt, dass Materialien ein viel kleineres elektrisches Feld benötigen, als die Landau-Zener-Formel vorhersagt.

Um diese Diskrepanz zu beseitigen, konzentrierte sich Han auf das Verhalten von Elektronen, die bereits im oberen Band eines Isolators vorhanden sind, wenn sie durch ein elektrisches Feld gedrückt werden. Computersimulationen ergaben, dass ein relativ kleines elektrisches Feld einen Zusammenbruch der Energielücke auslösen könnte, wodurch sich Elektronen zwischen dem unteren und dem oberen Band bewegen könnten. Dieses neue Verständnis hilft, einige der Diskrepanzen in der Landau-Zener-Formel zu erklären.

Darüber hinaus legt Hans Simulation nahe, dass die Quantenlawine nicht durch extreme Hitze verursacht wird, sondern ein Ergebnis des Gleichgewichts der Elektronen- und Phononentemperaturen ist. Dieser Befund weist darauf hin, dass elektronische und thermische Schaltmechanismen gleichzeitig auftreten können.

Die Studie betont auch die Bedeutung der Grundlagenforschung in den Materialwissenschaften. Jonathan Bird, Mitautor der Studie, betont, dass die Forschung zwar darauf abzielt, die Physik neuer Materialien zu verstehen, die entdeckten elektrischen Phänomene jedoch Auswirkungen auf zukünftige mikroelektronische Technologien haben könnten.

Seit der Veröffentlichung der Studie hat Han eine analytische Theorie entwickelt, die mit den Computersimulationen übereinstimmt. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um die genauen Bedingungen zu bestimmen, die für das Auftreten einer Quantenlawine erforderlich sind.