Het regelen van de stroom van elektronen binnen circuits wordt bereikt door de juiste materiaalkeuze. Metalen laten elektronen vrij stromen en isolatoren voorkomen geleiding. In het algemeen, de elektrische eigenschappen van een materiaal worden bepaald wanneer het materiaal wordt vervaardigd en kunnen achteraf niet worden gewijzigd zonder het materiaal te veranderen. Echter, er zijn materialen die afhankelijk van hun temperatuur metaal of isolatorgedrag kunnen vertonen. Hun eigenschappen kunnen veranderen, deze materialen kunnen leiden tot een nieuwe generatie elektronische apparaten.

Vanadiumdioxide (VO2) is zo'n materiaal. Het kan overschakelen van een isolerende fase naar een metaalfase net boven kamertemperatuur, een functie die al wordt gebruikt voor sensoren. Echter, de reden dat de eigenschappen zo drastisch veranderen, is al meer dan 50 jaar een kwestie van wetenschappelijk debat.

Een van de uitdagingen om te begrijpen waarom en hoe deze omschakeling plaatsvindt, is een proces dat fasescheiding wordt genoemd. De isolator-metaalfaseovergang is vergelijkbaar met de ijs-vloeistofovergang in water. Als ijs smelt, zowel vloeibaar als vast water kunnen in afzonderlijke regio's naast elkaar bestaan. evenzo, in VO2, isolerende en metalen delen van het materiaal kunnen tijdens de overgang naast elkaar bestaan. Maar in tegenstelling tot water, waarbij de twee fasen vaak groot genoeg zijn om met het blote oog te zien, in VO2, deze scheiding vindt plaats op nanoschaal, en het is dus een uitdaging om te observeren. Als resultaat, het was moeilijk om te bepalen of de ware eigenschappen van elke fase, of een mengsel van beide fasen, worden gemeten.

Röntgenstralen zijn een belangrijk hulpmiddel om de eigenschappen van materialen te begrijpen, maar het is moeilijk om lenzen te bouwen voor microscopen die ze kunnen detecteren. Echter, in een recente studie gepubliceerd in Nano-letters , een team van onderzoekers van ICFO en ALBA in Barcelona, de Technisch Universitat en het Max-Born Instituut in Berlijn, en Vanderbilt University in Tennessee, heeft eindelijk de faseovergangen kunnen onderzoeken die optreden in dunne films van VO2 met behulp van resonante zachte röntgenholografie. Deze techniek is in staat om de elektronische en structurele veranderingen in dit materiaal in beeld te brengen met een ongekende resolutie op nanoschaal zonder dat een lens nodig is.

Door naar het materiaal te kijken met een resolutie van 50 nm, de wetenschappers konden waarnemen dat defecten in het materiaal een belangrijke rol spelen bij het initiëren van de faseovergang van de isolator naar het metaal. Echter, belangrijker, de auteurs observeerden ook een derde tussentoestand gevormd tijdens de fasetransformatie. Terwijl sommige regio's direct van de isolerende naar de metallische fase transformeerden, anderen veranderden in een tweede, verschillende isolatietoestand voordat ze metaalachtig worden bij hogere temperaturen, waarbij de exacte route afhankelijk is van de defecten die in het materiaal aanwezig zijn. Het naast elkaar bestaan ​​van drie fasen heeft de opvattingen radicaal veranderd van eerdere onderzoeken die uitgingen van de aanwezigheid van slechts twee toestanden tijdens de overgang. Nog meer, de studie presenteert nieuwe manieren waarop de transitie kan worden gestuurd.

Naast de resultaten die zijn verkregen op de faseovergang in VO2, het werk belicht ook de mogelijkheden die röntgenholografie biedt voor het bestuderen van materialen op nanoschaal. De techniek is de enige methode die real-time dynamiek op nanoschaal in beeld kan brengen en wordt nu gebruikt om de eigenschappen van andere intrigerende materialen zoals supergeleiders bij hoge temperatuur te bestuderen.