Forskare vid University of Wisconsin-Madison har gjort ett material som kan övergå från en elektricitetsöverförande metall till ett icke ledande isolerande material utan att ändra dess atomstruktur.

"Det här är en ganska spännande upptäckt, "säger Chang-Beom Eom, professor i materialvetenskap och teknik. "Vi har hittat en ny metod för elektronisk växling."

Det nya materialet kan lägga grunden för ultrasnabba elektroniska enheter. Eom och hans internationella team av samarbetspartners publicerade detaljer om deras framsteg idag (30 november, 2018) i tidningen Vetenskap .

Metaller som koppar eller silver leder elektricitet, medan isolatorer som gummi eller glas inte tillåter ström att flöda. Några material, dock, kan övergå från isolerande till ledande.

Denna övergång innebär vanligtvis att arrangemanget av ett materials atomer och dess ledande elektroner måste förändras på ett samordnat sätt, men atomövergången går vanligtvis mycket långsammare än den mindre, lättare elektroner som leder elektricitet.

Ett material som kan byta till att leda elektricitet som en metall utan att röra dess atomer kan dramatiskt öka omkopplingshastigheterna för avancerade enheter, säger Eom.

"Metall-till-isolatorövergången är mycket viktig för switchar och för logiska enheter med ett eller noll-tillstånd, "säger han." Vi har potential att använda detta koncept för att göra mycket snabba växlar. "

I deras forskning, Eom och hans medarbetare besvarade en grundläggande fråga som har stört forskare i åratal:Kan den elektroniska och strukturella övergången kopplas från - i huvudsak kan de snabbt föränderliga elektronerna bryta ut på egen hand och lämna atomerna bakom sig?

De använde ett material som heter vanadiumdioxid, som är en metall när den värms upp och en isolator när den är i rumstemperatur. Vid höga temperaturer, atomerna som utgör vanadiumdioxid är arrangerade i ett regelbundet upprepande mönster som forskare kallar rutilfasen. När vanadiumdioxid svalnar för att bli en isolator, dess atomer antar ett annat mönster, kallas monoklin.

Inga naturligt förekommande ämnen leder elektricitet när deras atomer är i den monokliniska konformationen. Och det tar tid för atomerna att ordna om när ett material når övergångstemperaturen mellan isolator och metall.

Avgörande, vanadiumdioxid övergår mellan en metall och en isolator vid olika temperaturer beroende på mängden syre som finns i materialet. Forskarna utnyttjade detta faktum för att skapa två tunna lager av vanadiumdioxid - det ena med en något lägre övergångstemperatur än den andra - inklädda ovanpå varandra, med ett skarpt gränssnitt mellan.

När de värmde den tunna vanadiumdioxidmackan, ett lager fick den strukturella omkopplaren att bli en metall. Atomer i det andra skiktet förblev låsta i den isolerande monokliniska fasen. Förvånande, dock, den delen av materialet ledde elektricitet.

Viktigast, materialet förblev stabilt och behöll sina unika egenskaper.

Även om andra forskargrupper har försökt skapa elektriskt ledande isolatorer, dessa material förlorade sina egenskaper nästan omedelbart - kvarstår bara femtosekunder, eller några tusendelar av en biljondel av en sekund.

Eom -teamets material, dock, är här för att stanna.

"Vi kunde stabilisera det, gör det användbart för riktiga enheter, säger Eom.

Nyckeln till deras tillvägagångssätt var dubbelskiktet, smörgåsstruktur. Varje lager var så tunt att gränssnittet mellan de två materialen dominerade hur hela stacken betedde sig. Det är en uppfattning som Eom och kollegor planerar att driva vidare.

"Att utforma gränssnitt kan öppna upp nya material, säger Eom.

Wisconsin Alumni Research Foundation hjälper forskarna med patentansökan.