Béatrice Garnier
En ne regardant que leurs particules subatomiques, la plupart des matériaux peuvent être classés dans l’une des deux catégories.
Les métaux – comme le cuivre et le fer – ont des électrons à écoulement libre 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 frappés par un champ électrique powerful, offrant des possibilités alléchantes pour la microélectronique et le calcul intensif, mais la physique derrière ce phénomène appelé commutation résistive n’est pas bien comprise.
Des concerns, comme la taille d’un champ électrique nécessaire, sont âprement débattues par des scientifiques, comme le théoricien de la matière condensée de l’Université de Buffalo, Jong Han.
“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 day sur les transitions isolant-métal. L’étude, “Effondrement d’isolant corrélé dû à une avalanche quantique via des états d’échelle dans l’espace”, a été publiée en mai dans Nature Communications.
Le chemin quantique permet aux électrons de se déplacer entre les bandes
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 situent dans des bandes qui ont des lacunes interdites, dit Han.
Depuis les années 1930, la formule de Landau-Zener a servi 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 des décennies qui ont suivi ont montré que les matériaux nécessitent un champ électrique beaucoup moreover petit – approximativement 1 000 fois moreover petit – que la formule de Landau-Zener estimée.
“Donc, il y a un énorme écart, et nous devons avoir une meilleure théorie”, dit Han.
Pour résoudre ce problème, Han a décidé d’examiner une issue différente : que se passe-t-il lorsque des électrons déjà 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 faible pouvait déclencher un effondrement de l’écart entre les bandes inférieure et supérieure, créant un chemin quantique pour que les électrons montent et descendent entre les bandes.
Pour faire une analogie, dit Han, “Imaginez que certains électrons se déplacent sur un deuxième étage. Lorsque le sol est incliné par un champ électrique, non seulement les électrons commencent à bouger, mais des transitions quantiques auparavant interdites s’ouvrent et la stabilité même du sol s’effondre brusquement, faisant monter et descendre les électrons de différents étages.
“Alors, la issue n’est plus de savoir remark les électrons du rez-de-chaussée sautent, mais la stabilité des étages supérieurs sous un champ électrique.”
Cette idée aide à résoudre certaines des divergences dans la formule de Landau-Zener, dit Han. Cela clarifie également le débat sur les transitions isolant-métal causées par les électrons eux-mêmes ou celles causées par une chaleur extrême. La simulation de Han suggère que l’avalanche quantique n’est pas déclenchée par la chaleur. Cependant, la changeover complète de l’isolant au 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 sont pas exclusifs l’un de l’autre, dit Han, mais peuvent plutôt se produire simultanément.
“Nous avons donc trouvé un moyen de comprendre certains facets de tout ce phénomène de commutation résistive”, a déclaré Han. “Mais je pense que c’est un bon issue de départ.”
La recherche pourrait améliorer la microélectronique
L’étude a été co-écrite par Jonathan Hen, PhD, professeur et titulaire de la chaire de génie électrique à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’UB, qui a fourni le contexte expérimental. Son équipe a étudié 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 se concentrent sur la résolution de queries fondamentales sur la physique des nouveaux matériaux, les phénomènes électriques que nous révélons dans ces matériaux pourraient à terme fournir la foundation de nouvelles technologies microélectroniques, telles que des mémoires compactes à utiliser dans des apps gourmandes en données comme l’intelligence artificielle », explique Chook.
La recherche pourrait également être cruciale pour des domaines tels que l’informatique neuromorphique, qui tente d’émuler la stimulation électrique du système nerveux humain. “Notre objectif, cependant, est principalement de comprendre la phénoménologie fondamentale”, déclare Chook.
D’autres auteurs incluent le doctorant en physique de l’UB Xi Chen Ishiaka Mansaray, qui a obtenu un doctorat en physique et est maintenant postdoctoral à l’Institut nationwide des normes et de la technologie, et Michael Randle, qui a obtenu un doctorat en génie électrique et est maintenant postdoctoral à l’institut de recherche Riken au Japon. Parmi les autres auteurs figurent des chercheurs internationaux représentant l’Institut fédéral suisse de technologie de Lausanne, l’Université des sciences et technologies de Pohang et le Centre de physique théorique des systèmes complexes de l’Institut des sciences fondamentales.
Depuis la publication de l’article, Han a conçu une théorie analytique qui correspond bien au calcul de l’ordinateur. Pourtant, il lui reste encore à enquêter, comme les ailments exactes nécessaires pour qu’une avalanche quantique se produise.
“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 non. Nous avons beaucoup de travail devant nous pour régler le problème.”
