Onderzoekers van het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart, de University of California, Berkeley en de Advanced Light Source van het Lawrence Berkeley National Laboratory hebben nieuwe pompsondetechnieken gecombineerd met scanning nano-focussering om de details van de isolator bloot te leggen. overgang van metaal naar metaal.

De meeste materialen zijn óf geleiders, waardoor elektronen gemakkelijk kunnen bewegen, óf isolatoren, waarbij de elektronen onbeweeglijk worden gehouden door de stijve structuur van hun atomen. Een klasse verbindingen die Mott-isolatoren worden genoemd, vertonen echter een dramatische gedragsverandering wanneer ze met licht worden bestraald. Wanneer deze materialen voldoende energie absorberen, transformeren ze snel in een geleidende toestand, die zelfs kan blijven bestaan ​​als het licht uit is.

Deze transformatie, bekend als de overgang van isolator naar metaal (IMT), is het centrale fenomeen in een aantal fascinerende en technologisch belangrijke systemen. De ontwikkeling van geavanceerde elektronische apparaten hangt bijvoorbeeld af van het beheersen van deze transitie, wat de creatie mogelijk zou kunnen maken van apparaten die sneller schakelen, minder stroom verbruiken en bij hogere temperaturen werken dan conventionele halfgeleiders.

De microscopische mechanismen die ten grondslag liggen aan de IMT blijven echter ongrijpbaar, deels vanwege de complexe aard van de betrokken elektronische interacties. Eén prominente theorie voorspelt dat de overgang plaatsvindt via een samenwerkingsproces tussen elektronen en roostertrillingen, waarbij de elektronen eerst vervormingen in het kristalrooster veroorzaken en vervolgens deze roostervervormingen nieuwe wegen openen voor de elektronen om te bewegen, wat leidt tot de metallische toestand.

Dit onderzoeksteam heeft gedetailleerde studies uitgevoerd naar de IMT in een prototypische Mott-isolator, vanadiumdioxide (VO2), met behulp van een unieke experimentele opstelling die optische excitatie van femtoseconden bij de geavanceerde lichtbron combineert met tijdsopgeloste nano-imaging bij het Max Planck Instituut voor Onderzoek naar vaste toestanden. Deze opstelling stelt hen in staat om tegelijkertijd de evolutie van de elektronische en roosterdynamiek in VO2 in kaart te brengen met een ongekende ruimtelijke en temporele resolutie.

De onderzoekers ontdekten dat de overgang van isolator naar metaal in VO2 plaatsvindt via een niet-uniforme transformatie. In plaats van overal tegelijk over te gaan, ontdekten ze dat de metaalfase kiemt op specifieke ‘hotspots’ en vervolgens groeit en samenvloeit om metaalfilamenten te vormen die uiteindelijk het hele materiaal omspannen.

Dankzij de observaties met hoge resolutie kon het team deze kiemvormingsgebeurtenissen koppelen aan defecten en inhomogeniteiten in de kristalstructuur. Ze ontdekten ook dat de IMT extreem gevoelig is voor de roostertemperatuur van het materiaal.

Deze bevindingen bieden cruciale inzichten in de microscopische fysica van de overgang van isolator naar metaal en maken de weg vrij voor het begrijpen en uiteindelijk beheersen van dit fenomeen op nanoschaal, wat cruciaal zal zijn voor het ontwerp en de ontwikkeling van toekomstige elektronische apparaten.