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Jun 21, 2023

La física detrás del aislante

La mayoría de los materiales se pueden clasificar como metales o aislantes según el comportamiento de sus partículas subatómicas. Los metales, como el cobre y el hierro, tienen electrones que fluyen libremente y les permiten

La mayoría de los materiales se pueden clasificar como metales o aislantes según el comportamiento de sus partículas subatómicas. Los metales, como el cobre y el hierro, tienen electrones que fluyen libremente y les permiten conducir la electricidad. Por otro lado, los aislantes como el vidrio y el caucho mantienen sus electrones fuertemente unidos y no conducen la electricidad.

La conmutación resistiva, un fenómeno en el que los aisladores se transforman en metales bajo la influencia de un intenso campo eléctrico, ha intrigado a los científicos por sus posibles aplicaciones en microelectrónica y supercomputación. Sin embargo, la física detrás de esta transición, específicamente el tamaño del campo eléctrico requerido, sigue sin estar clara.

Jong Han, teórico de la materia condensada de la UB, ha dirigido un estudio que adopta un nuevo enfoque para comprender este misterio actual. El estudio, titulado "Colapso correlacionado del aislante debido a una avalancha cuántica a través de estados de escalera en el espacio", explora la transición del aislante al metal.

La diferencia entre metales y aislantes radica en los principios de la mecánica cuántica, en particular en los espacios de energía prohibidos en los niveles de energía de los electrones. La fórmula de Landau-Zener, desarrollada en la década de 1930, se ha utilizado para determinar el campo eléctrico necesario para empujar los electrones de un aislante a través de estos espacios de energía. Sin embargo, los resultados experimentales han demostrado que los materiales requieren un campo eléctrico mucho menor que el predicho por la fórmula de Landau-Zener.

Para abordar esta discrepancia, Han se centró en el comportamiento de los electrones ya presentes en la banda superior de un aislante cuando son empujados por un campo eléctrico. Las simulaciones por computadora revelaron que un campo eléctrico relativamente pequeño podría desencadenar un colapso de la brecha de energía, permitiendo a los electrones moverse entre las bandas inferior y superior. Esta nueva comprensión ayuda a explicar algunas de las discrepancias en la fórmula de Landau-Zener.

Además, la simulación de Han sugiere que la avalancha cuántica no es causada por un calor extremo sino que es el resultado del equilibrio de las temperaturas de los electrones y los fonones. Este hallazgo indica que los mecanismos de conmutación electrónicos y térmicos pueden ocurrir simultáneamente.

El estudio también enfatiza la importancia de la investigación fundamental en la ciencia de los materiales. Jonathan Bird, coautor del estudio, destaca que si bien la investigación tiene como objetivo comprender la física de nuevos materiales, los fenómenos eléctricos descubiertos podrían tener implicaciones para futuras tecnologías microelectrónicas.

Desde la publicación del estudio, Han ha desarrollado una teoría analítica que se alinea con las simulaciones por computadora. Sin embargo, se necesitan más investigaciones para determinar las condiciones exactas necesarias para que se produzca una avalancha cuántica.