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Jun 21, 2023

절연체 뒤의 물리학

대부분의 물질은 아원자 입자의 거동에 따라 금속 또는 절연체로 분류될 수 있습니다. 구리나 철과 같은 금속은 자유롭게 흐르는 전자를 가지고 있어 다음과 같은 일을 할 수 있습니다.

대부분의 물질은 아원자 입자의 거동에 따라 금속 또는 절연체로 분류될 수 있습니다. 구리나 철과 같은 금속은 자유롭게 흐르는 전자를 갖고 있어 전기를 전도할 수 있습니다. 반면, 유리나 고무 같은 절연체는 전자를 단단히 묶어두어 전기를 전도하지 않습니다.

강한 전기장의 영향을 받아 절연체가 금속으로 변하는 현상인 저항성 스위칭은 마이크로 전자 공학 및 슈퍼컴퓨팅 분야의 잠재적 응용 분야에 대해 과학자들의 흥미를 불러일으켰습니다. 그러나 이러한 전환 뒤에 있는 물리학, 특히 필요한 전기장의 크기는 여전히 불분명합니다.

UB의 응축물질 이론가인 한종은 진행 중인 미스터리를 이해하기 위해 새로운 접근 방식을 취하는 연구를 주도했습니다. "인갭 래더 상태를 통한 양자 사태로 인한 상관 절연체 붕괴"라는 제목의 이 연구는 절연체에서 금속으로의 전이를 탐구합니다.

금속과 절연체의 차이점은 양자역학적 원리, 특히 전자 에너지 준위의 금지된 에너지 갭에 있습니다. 1930년대에 개발된 Landau-Zener 공식은 이러한 에너지 격차를 가로질러 절연체의 전자를 밀어내는 데 필요한 전기장을 결정하는 데 사용되었습니다. 그러나 실험 결과에 따르면 재료는 Landau-Zener 공식에서 예측한 것보다 훨씬 작은 전기장을 필요로 하는 것으로 나타났습니다.

이러한 불일치를 해결하기 위해 Han은 전기장에 의해 밀려날 때 절연체의 상부 밴드에 이미 존재하는 전자의 거동에 중점을 두었습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 상대적으로 작은 전기장이 에너지 갭의 붕괴를 촉발하여 전자가 낮은 밴드와 위쪽 밴드 사이를 이동할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이 새로운 이해는 Landau-Zener 공식의 일부 불일치를 설명하는 데 도움이 됩니다.

또한 Han의 시뮬레이션은 양자 눈사태가 극심한 열에 의해 발생하는 것이 아니라 대신 전자와 포논 온도의 평형의 결과임을 시사합니다. 이 발견은 전자 및 열 전환 메커니즘이 동시에 발생할 수 있음을 나타냅니다.

이 연구는 또한 재료 과학의 기초 연구의 중요성을 강조합니다. 이번 연구의 공동 저자인 Jonathan Bird는 이번 연구가 신소재의 물리학을 이해하는 것을 목표로 하고 있지만 발견된 전기 현상은 미래의 마이크로 전자 기술에 영향을 미칠 수 있다고 강조합니다.

연구를 발표한 이후 Han은 컴퓨터 시뮬레이션과 일치하는 분석 이론을 개발했습니다. 그러나 양자 눈사태가 발생하는 데 필요한 정확한 조건을 결정하려면 추가 연구가 필요합니다.