开启微电子学和超级计算机新纪元：神秘的"量子雪崩"现象或彻底改变游戏规则

从亚原子粒子的视角，材料大多可分为金属和绝缘体两类。金属如铜、铁具备自由流动电子，从而导电；而绝缘体如玻璃、橡胶中电子紧密结合，因此不导电。绝缘体在强电场作用下可转变为金属，这一现象被称为电阻开关，潜在影响微电子学与超级计算领域，然而其背后的物理原理仍颇为神秘。

新研究探寻"量子雪崩"的奥秘，揭示绝缘体向金属转变的全新洞察，并为微电子学带来前所未有的突破。对于何时触发这一变化，科学界争议不断。布法罗大学的凝聚态物质理论专家韩博士，深入研究该现象。

韩博士，一位文理学院物理学教授，是一项名为"通过隙内梯形态的量子雪崩导致的相关绝缘体塌缩"研究的主要作者，该研究于今年五月在《自然-通讯》上发表。此次研究对解开绝缘体如何转变为金属的谜题具有重要意义。布法罗大学物理学教授Jong Han是该研究的主要作者，有助于解开长期存在的物理学难题，即电阻开关的机制。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere。

深入探究电子的量子路径运动，韩博士指出金属与绝缘体之间的差异源自量子力学原理。电子作为量子粒子，其能级在具有禁带间隙的带内运动。朗道-齐纳公式多年来一直被用来估算从绝缘体低能段推向高能段所需电场强度。然而，数十年的实验表明实际所需电场远小于预测值，约小1000倍。

为解决这一分歧，韩博士转变思路，探讨当绝缘体带上的电子受到推动时会发生何种变化。通过计算机模拟电阻开关，考虑到上带电子的影响，结果表明相对较小的电场即可引发带间隙的塌缩，为电子在不同带间创造量子路径。

韩博士以此形容：在二楼行走的电子，当地板倾斜时，电子开始移动，之前被禁止的量子跃迁被启用，地板的稳定性突然崩溃，使电子在不同楼层间自由流动。这一思想有助于解释朗道-齐纳公式中的分歧，同时阐明电子引发绝缘体到金属转变的机制。韩博士的模拟结果表明，量子雪崩并非热引起，但完全的绝缘体到金属转变需要电子和声子（晶体原子的量子振动）达到平衡。这说明电子与热之间的转换机制并非互斥，而是可以共存的。

韩博士表示：“我们找到了一种解释电阻开关现象的方式，但我认为这只是个良好的起点。”

研究的合著者之一是哥伦比亚大学工程与应用科学学院电子工程系教授兼系主任乔纳森-伯德（Jonathan Bird）博士，他为研究提供了实验背景。该团队一直研究低温下新兴纳米材料的电学特性，或为微电子学技术，如紧凑型存储器用于人工智能等领域奠定基础。

此研究对神经形态计算等领域同样具有重要意义，但伯德指出：“我们侧重解释基本现象，”而非特定应用。

自发表论文以来，韩博士已设计出与计算机结果高度吻合的分析理论，但他仍需进一步研究量子雪崩发生的确切条件。这一研究或将掀开微电子学的新篇章。