Mirando solo sus partículas subatómicas, la mayoría de los materiales se pueden colocar en una de dos categorías.

Los metales, como el cobre y el hierro, tienen electrones que fluyen libremente y les permiten conducir la electricidad, mientras que los aislantes, como el vidrio y el caucho, mantienen sus electrones estrechamente unidos y, por lo tanto, no conducen la electricidad.

Los aisladores pueden convertirse en metales cuando son golpeados por un campo eléctrico intenso, lo que ofrece tentadoras posibilidades para la microelectrónica y la supercomputación, pero la física detrás de este fenómeno llamado conmutación resistiva no se comprende bien.

Los científicos, como el teórico de la materia condensada de la Universidad de Buffalo, Jong Han, debaten ferozmente cuestiones como la magnitud del campo eléctrico que se necesita.

« He estado obsesionado con eso », dice.

Han, PhD, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias, es el autor principal de un estudio que adopta un nuevo enfoque para responder a un misterio de larga data sobre las transiciones de aislante a metal. El estudio, « Colapso del aislador correlacionado debido a una avalancha cuántica a través de estados de escalera en el espacio », se publicó en mayo en Nature Communications.

El camino cuántico permite que los electrones se muevan entre bandas

La diferencia entre los metales y los aislantes radica en los principios de la mecánica cuántica, que dictan que los electrones son partículas cuánticas y sus niveles de energía vienen en bandas que tienen espacios prohibidos, dice Han.

Desde la década de 1930, la fórmula de Landau-Zener ha servido como modelo para determinar el tamaño del campo eléctrico necesario para empujar los electrones de un aislador desde sus bandas inferiores a sus bandas superiores. Pero los experimentos en las décadas posteriores han demostrado que los materiales requieren un campo eléctrico mucho más pequeño, aproximadamente 1000 veces más pequeño, que el estimado por la fórmula Landau-Zener.

« Entonces, hay una gran discrepancia y necesitamos tener una teoría mejor », dice Han.

Para resolver esto, Han decidió considerar una pregunta diferente: ¿Qué sucede cuando se empujan los electrones que ya están en la banda superior de un aislante?

Han ejecutó una simulación por computadora de conmutación resistiva que explicaba la presencia de electrones en la banda superior. Mostró que un campo eléctrico relativamente pequeño podría desencadenar un colapso de la brecha entre las bandas inferior y superior, creando un camino cuántico para que los electrones suban y bajen entre las bandas.

Para hacer una analogía, Han dice: « Imagínese que algunos electrones se mueven en un segundo piso. Cuando un campo eléctrico inclina el piso, los electrones no solo comienzan a moverse, sino que se abren transiciones cuánticas previamente prohibidas y la estabilidad misma del piso se desmorona abruptamente, haciendo que los electrones en diferentes pisos fluyan hacia arriba y hacia abajo.

« Entonces, la pregunta ya no es cómo saltan los electrones en el piso inferior, sino la estabilidad de los pisos superiores bajo un campo eléctrico ».

Esta idea ayuda a resolver algunas de las discrepancias en la fórmula Landau-Zener, dice Han. También proporciona algo de claridad al debate sobre las transiciones de aislante a metal causadas por los mismos electrones o aquellas causadas por el calor extremo. La simulación de Han sugiere que la avalancha cuántica no se desencadena por el calor. Sin embargo, la transición completa de aislante a metal no ocurre hasta que las temperaturas separadas de los electrones y fonones (vibraciones cuánticas de los átomos del cristal) se equilibran. Esto demuestra que los mecanismos de conmutación electrónica y térmica no son exclusivos entre sí, dice Han, sino que pueden surgir simultáneamente.

« Entonces, hemos encontrado una manera de comprender un rincón de todo este fenómeno de conmutación resistiva », dice Han. « Pero creo que es un buen punto de partida ».

La investigación podría mejorar la microelectrónica

El estudio fue coautor de Jonathan Bird, PhD, profesor y catedrático de ingeniería eléctrica en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB, quien proporcionó el contexto experimental. Su equipo ha estado estudiando las propiedades eléctricas de los nanomateriales emergentes que exhiben nuevos estados a bajas temperaturas, lo que puede enseñar mucho a los investigadores sobre la física compleja que gobierna el comportamiento eléctrico.

« Si bien nuestros estudios se centran en resolver cuestiones fundamentales sobre la física de nuevos materiales, los fenómenos eléctricos que revelamos en estos materiales podrían, en última instancia, proporcionar la base de nuevas tecnologías microelectrónicas, como memorias compactas para su uso en aplicaciones de uso intensivo de datos como la inteligencia artificial », dice Bird.

La investigación también podría ser crucial para áreas como la computación neuromórfica, que intenta emular la estimulación eléctrica del sistema nervioso humano. « Nuestro enfoque, sin embargo, es principalmente comprender la fenomenología fundamental », dice Bird.

Otros autores incluyen al estudiante de doctorado en física de la UB, Xi Chen; Ishiaka Mansaray, quien recibió un doctorado en física y ahora es un posdoctorado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y Michael Randle, quien recibió un doctorado en ingeniería eléctrica y ahora es un posdoctorado en el instituto de investigación Riken en Japón. Otros autores incluyen investigadores internacionales que representan al Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang y el Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos, Instituto de Ciencias Básicas.

Desde la publicación del artículo, Han ha ideado una teoría analítica que coincide bien con el cálculo de la computadora. Aún así, hay más para que investigue, como las condiciones exactas necesarias para que ocurra una avalancha cuántica.

« Alguien, un experimentador, me va a preguntar: ‘¿Por qué no vi eso antes?' », dice Han. « Algunos podrían haberlo visto, otros podrían no haberlo hecho. Tenemos mucho trabajo por delante para resolverlo ».