De flesta material är antingen ledare, genom vilka elektroner lätt kan röra sig, eller isolatorer, där elektronerna hålls orörliga av den stela strukturen hos deras atomer. Men en klass av föreningar som kallas Mott-isolatorer uppvisar en dramatisk förändring av beteende när de bestrålas med ljus. När dessa material absorberar tillräckligt med energi omvandlas de snabbt till ett ledande tillstånd, som kan bestå även när ljuset är släckt.
Denna transformation, känd som isolator-till-metall-övergången (IMT), är det centrala fenomenet i ett antal fascinerande och tekniskt viktiga system. Till exempel beror utvecklingen av avancerade elektroniska enheter på att kontrollera denna övergång, vilket kan möjliggöra skapandet av enheter som växlar snabbare, förbrukar mindre ström och fungerar vid högre temperaturer än konventionella halvledare.
De mikroskopiska mekanismerna som ligger bakom IMT förblir dock svårfångade, delvis på grund av den komplexa karaktären hos de involverade elektroniska interaktionerna. En framträdande teori förutspår att övergången sker genom en samverkansprocess mellan elektroner och gittervibrationer, där elektronerna först skapar förvrängningar i kristallgittret och sedan öppnar dessa gitterförvrängningar upp nya vägar för elektronerna att röra sig, vilket leder till det metalliska tillståndet.
Detta forskarteam har utfört detaljerade studier av IMT i en prototypisk Mott-isolator, vanadindioxid (VO2), med hjälp av en unik experimentell uppsättning som kombinerar femtosekunds optisk excitation vid Advanced Light Source med tidsupplöst nano-avbildning vid Max Planck Institute för Solid State Research. Denna inställning gör det möjligt för dem att samtidigt kartlägga utvecklingen av den elektroniska och gitterdynamiken i VO2 med oöverträffad rumslig och tidsmässig upplösning.
Forskarna upptäckte att isolator-till-metall-övergången i VO2 sker genom en olikformig transformation. Istället för att övergå överallt samtidigt, fann de att den metalliska fasen bildas vid specifika "hot spots" och sedan växer och sammansmälter för att bilda metalliska filament som så småningom spänner över hela materialet.
De högupplösta observationerna gjorde det möjligt för teamet att koppla dessa kärnbildningshändelser till defekter och inhomogeniteter i kristallstrukturen. De fann också att IMT är extremt känsligt för materialets gittertemperatur.
Dessa fynd ger avgörande insikter i den mikroskopiska fysiken för övergången isolator till metall och banar väg för att förstå och i slutändan kontrollera detta fenomen på nanoskalan, vilket kommer att vara avgörande för design och utveckling av framtida elektroniska enheter.
