At observere, hvordan lys danner et metal - nye detaljer om overgangen mellem isolator og metal i kvantemateriale

Forskere fra Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart, University of California, Berkeley og Advanced Light Source ved Lawrence Berkeley National Laboratory har kombineret nye pumpesondeteknikker med scanning af nanofokusering for at afdække detaljerne i isolatoren -til-metal overgang.

De fleste materialer er enten ledere, som elektroner let kan bevæge sig igennem, eller isolatorer, hvor elektronerne holdes ubevægelige af deres atomers stive struktur. Men en klasse af forbindelser kaldet Mott-isolatorer udviser en dramatisk ændring i adfærd, når de bestråles med lys. Når disse materialer absorberer nok energi, omdannes de hurtigt til en ledende tilstand, som kan vare ved, selv når lyset er slukket.

Denne transformation, kendt som isolator-til-metal-overgangen (IMT), er det centrale fænomen i en række fascinerende og teknologisk vigtige systemer. For eksempel afhænger udviklingen af ​​avancerede elektroniske enheder af at kontrollere denne overgang, hvilket kunne muliggøre skabelsen af ​​enheder, der skifter hurtigere, bruger mindre strøm og fungerer ved højere temperaturer end konventionelle halvledere.

Imidlertid forbliver de mikroskopiske mekanismer, der ligger til grund for IMT, uhåndgribelige, delvist på grund af den komplekse karakter af de involverede elektroniske interaktioner. En fremtrædende teori forudsiger, at overgangen sker gennem en samarbejdsproces mellem elektroner og gittervibrationer, hvor elektronerne først skaber forvrængninger i krystalgitteret, og derefter åbner disse gitterforvrængninger op for nye veje for elektronerne at bevæge sig, hvilket fører til den metalliske tilstand.

Dette forskerhold har udført detaljerede undersøgelser af IMT i en prototypisk Mott-isolator, vanadiumdioxid (VO2), ved hjælp af en unik eksperimentel opsætning, der kombinerer femtosekund optisk excitation ved Advanced Light Source med tidsopløst nano-billeddannelse ved Max Planck Institute for Solid State Research. Denne opsætning gør dem i stand til samtidigt at kortlægge udviklingen af ​​den elektroniske og gitterdynamikken i VO2 med hidtil uset rumlig og tidsmæssig opløsning.

Forskerne opdagede, at overgangen mellem isolator og metal i VO2 sker gennem en uensartet transformation. I stedet for at skifte overalt på samme tid fandt de ud af, at den metalliske fase danner kerne ved specifikke "hot spots" og derefter vokser og smelter sammen for at danne metalliske filamenter, der til sidst spænder over hele materialet.

Observationerne i høj opløsning gjorde det muligt for holdet at knytte disse kernedannelsesbegivenheder til defekter og inhomogeniteter i krystalstrukturen. De fandt også ud af, at IMT er ekstremt følsomt over for materialets gittertemperatur.

Disse resultater giver afgørende indsigt i den mikroskopiske fysik af isolator-til-metal-overgangen og baner vejen for at forstå og i sidste ende kontrollere dette fænomen på nanoskalaen, hvilket vil være afgørende for design og udvikling af fremtidige elektroniske enheder.