Fasövergångar är allmänt förekommande till sin natur, och en av de mest spännande är övergången från ett isolerande till ett metalliskt tillstånd. Detta fenomen är kärnan i många fascinerande egenskaper, såsom supraledning och kolossal magnetoresistans.
VO2 är ett utmärkt exempel på ett material som uppvisar IMT. Vid rumstemperatur är det en isolator, vilket innebär att elektroner inte kan strömma igenom den lätt. Men när den värms upp över 68 grader Celsius, genomgår den en dramatisk omvandling och blir en metall, vilket gör att elektroner kan röra sig fritt.
"Denna isolator-till-metall-övergång i VO2 har studerats omfattande, både teoretiskt och experimentellt", säger huvudförfattaren Ryotaro Arita. "Men den exakta mikroskopiska mekanismen bakom övergången är fortfarande en fråga om debatt."
För att belysa detta mysterium använde teamet vid ISSP en innovativ experimentell uppsättning känd som tidsupplöst fotoemissionsspektroskopi. Denna teknik gjorde det möjligt för dem att följa förändringarna i den elektroniska strukturen av VO2 när den genomgår IMT, med oöverträffad tidsmässig upplösning.
Deras experiment visade att IMT i VO2 drivs av ett komplext samspel mellan elektronsnurr, laddning och gittervibrationer. Resultaten tyder på att elektronernas spinn spelar en avgörande roll i processen, och att övergången innebär ett subtilt samspel mellan olika elektroniska band.
"Våra fynd ger nya insikter i de grundläggande mekanismerna bakom övergången från isolator till metall i VO2 och öppnar nya möjligheter för att utforska och kontrollera detta fascinerande fenomen i andra kvantmaterial", säger Arita.
Detta arbete, publicerat i Nature Communications, banar väg för ytterligare forskning om IMTs fysik och kan leda till utvecklingen av nya elektroniska enheter baserade på kvantmaterial.
