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Jun 21, 2023

La physique derrière l’isolant

La plupart des matériaux peuvent être classés comme métaux ou isolants en fonction du comportement de leurs particules subatomiques. Les métaux, comme le cuivre et le fer, possèdent des électrons libres qui leur permettent de

La plupart des matériaux peuvent être classés comme métaux ou isolants en fonction du comportement de leurs particules subatomiques. Les métaux, comme le cuivre et le fer, possèdent des électrons libres qui leur permettent de conduire l’électricité. D’un autre côté, les isolants comme le verre et le caoutchouc maintiennent leurs électrons étroitement liés et ne conduisent pas l’électricité.

La commutation résistive, un phénomène par lequel les isolants se transforment en métaux sous l'influence d'un champ électrique intense, a intrigué les scientifiques pour ses applications potentielles en microélectronique et en calcul intensif. Cependant, la physique derrière cette transition, notamment la taille du champ électrique requis, reste floue.

Jong Han, théoricien de la matière condensée à l'UB, a dirigé une étude qui adopte une nouvelle approche pour comprendre ce mystère persistant. L’étude, intitulée « Effondrement corrélé de l’isolant dû à une avalanche quantique via des états d’échelle in-gap », explore la transition isolant-métal.

La différence entre les métaux et les isolants réside dans les principes de la mécanique quantique, en particulier dans les lacunes énergétiques interdites dans les niveaux d'énergie des électrons. La formule de Landau-Zener, développée dans les années 1930, a été utilisée pour déterminer le champ électrique nécessaire pour pousser les électrons d'un isolant à travers ces espaces énergétiques. Cependant, des résultats expérimentaux ont montré que les matériaux nécessitent un champ électrique beaucoup plus petit que celui prédit par la formule de Landau-Zener.

Pour remédier à cette divergence, Han s’est concentré sur le comportement des électrons déjà présents dans la bande supérieure d’un isolant lorsqu’ils sont poussés par un champ électrique. Des simulations informatiques ont révélé qu'un champ électrique relativement petit pourrait déclencher un effondrement de l'écart énergétique, permettant aux électrons de se déplacer entre les bandes inférieure et supérieure. Cette nouvelle compréhension contribue à expliquer certaines des divergences dans la formule de Landau-Zener.

De plus, la simulation de Han suggère que l'avalanche quantique n'est pas causée par une chaleur extrême mais résulte plutôt de l'équilibre des températures des électrons et des phonons. Cette découverte indique que les mécanismes de commutation électronique et thermique peuvent se produire simultanément.

L'étude souligne également l'importance de la recherche fondamentale en science des matériaux. Jonathan Bird, co-auteur de l'étude, souligne que même si la recherche vise à comprendre la physique des nouveaux matériaux, les phénomènes électriques découverts pourraient avoir des implications pour les futures technologies microélectroniques.

Depuis la publication de l’étude, Han a développé une théorie analytique qui s’aligne sur les simulations informatiques. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour déterminer les conditions exactes requises pour qu’une avalanche quantique se produise.