Overraskelsesfysik i isoleringsmateriale tilbyder vej til hurtigere teknologi

Forskere ledet af Cornell har opdaget et usædvanligt fænomen i et metalisolerende materiale, der giver værdifuld indsigt til design af materialer med nye egenskaber ved hurtigere at skifte mellem stoftilstande.

Mott-isolatorer er en familie af materialer med unikke elektroniske egenskaber, inklusive dem, der kan manipuleres af stimuli såsom lys. Oprindelsen af ​​de unikke egenskaber er ikke fuldt ud forstået, delvist på grund af den udfordrende opgave at afbilde materialets nanostrukturer i det virkelige rum og fange, hvordan disse strukturer gennemgår faseændringer på så hurtigt som en billiontedel af et sekund.

En ny undersøgelse offentliggjort i Nature Physics optrevlede fysikken i Mott-isolatoren, Ca₂ RuO₄ , da den blev stimuleret med en laser. I hidtil usete detaljer observerede forskere interaktioner mellem materialets elektroner og den underliggende gitterstruktur ved at bruge ultrahurtige røntgenimpulser til at fange "snapshots" af strukturelle ændringer i Ca₂ RuO₄ inden for kritiske picosekunder efter excitation med laseren.

Resultaterne var uventede - elektroniske omarrangeringer er generisk hurtigere end gitter, men det modsatte blev observeret i eksperimentet.

"Typisk reagerer de hurtige elektroner på stimuli og trækker de langsommere atomer med sig," sagde hovedforfatter Anita Verma, postdoc i materialevidenskab og teknik. "Det, vi fandt i dette arbejde, er usædvanligt:​​Atomerne reagerede hurtigere end elektroner."

Selvom forskere ikke er sikre på, hvorfor atomgitteret kan bevæge sig så hurtigt, er en hypotese, at materialets nanotekstur giver det kernedannelsespunkter, der hjælper med at omarrangere gitteret, svarende til hvordan underkølet is begynder at dannes hurtigst omkring en urenhed i vand.

Forskningen bygger på et papir fra 2023, hvor Andrej Singer, seniorforfatter og adjunkt i materialevidenskab og ingeniørvidenskab, og andre videnskabsmænd brugte kraftige røntgenstråler, fasehentningsalgoritmer og maskinlæring for at få en real-space visualisering af samme materiale på nanoskala.

"At kombinere de to eksperimenter gav os denne indsigt i, at i nogle materialer som dette kan vi skifte faser meget hurtigt - i størrelsesordenen 100 gange hurtigere end i andre materialer, der ikke har denne tekstur," sagde Singer. "Vi håber på, at denne effekt er en generel vej til at fremskynde skift og resultere i nogle interessante applikationer nede ad vejen."

Singer sagde, at i nogle Mott-isolatorer omfatter applikationer udvikling af materialer, der er gennemsigtige i deres isolerende tilstand og derefter hurtigt bliver uigennemsigtige, når de er exciteret til deres metalliske tilstand. Den underliggende fysik kan også have konsekvenser for fremtidig, hurtigere elektronik.

Singers forskergruppe planlægger at fortsætte med at bruge de samme billeddannelsesteknikker til at undersøge nye faser af stof, der skabes, når nanoteksturerede tyndfilm ophidses med ydre stimuli.

Flere oplysninger: Anita Verma et al, Picosecond volumenudvidelse driver en senere isolator-metal overgang i en nano-tekstureret Mott isolator, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02396-1

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Cornell University