Styrning av elektronflödet i kretsar uppnås genom lämpligt val av material. Metaller tillåter elektroner att flöda fritt och isolatorer förhindrar ledning. I allmänhet, de elektriska egenskaperna hos ett material bestäms när materialet tillverkas och kan inte ändras i efterhand utan att materialet ändras. Dock, det finns material som kan uppvisa metall- eller isolatorbeteende beroende på deras temperatur. Att kunna byta sina egenskaper, dessa material kan leda till en ny generation av elektroniska enheter.

Vanadindioxid (VO2) är ett sådant material. Den kan byta från en isolerande fas till en metallisk fas strax över rumstemperatur, en funktion som redan utnyttjas för sensorer. Dock, Anledningen till att dess egenskaper förändras så dramatiskt har varit en fråga för vetenskaplig debatt i över 50 år.

En av utmaningarna med att förstå varför och hur denna omställning sker är en process som kallas fasseparation. Fasövergången isolator-metall liknar is-vätska-övergången i vatten. När isen smälter, både flytande och fast vatten kan samexistera i separata regioner. Liknande, i VO2, isolerande och metalliska områden av materialet kan samexistera under övergången. Men till skillnad från vatten, där de två faserna ofta är tillräckligt stora för att se med blotta ögat, i VO2, denna separation sker på nanoskala, och det är därför utmanande att observera. Som ett resultat, det har varit svårt att avgöra om de verkliga egenskaperna för varje fas, eller en blandning av båda faserna, håller på att mätas.

Röntgenstrålar är ett nyckelverktyg för att förstå materials egenskaper, men det är svårt att bygga linser för mikroskop som kan upptäcka dem. Dock, i en nyligen publicerad studie Nanobokstäver , ett team av forskare från ICFO och ALBA i Barcelona, Technisch Universitat och Max-Born Institute i Berlin, och Vanderbilt University i Tennessee, har äntligen kunnat undersöka fasövergångarna som sker i tunna filmer av VO2 med hjälp av resonant mjuk röntgenholografi. Denna teknik är kapabel att avbilda de elektroniska och strukturella förändringarna i detta material med en oöverträffad upplösning på nanoskala utan behov av en lins.

Genom att titta på materialet med 50 nm upplösning, forskarna kunde observera att defekter i materialet spelar en viktig roll för att initiera fasövergången från isolatorn till metallen. Dock, mer viktigt, författarna observerade också ett tredje mellantillstånd som bildades under fastransformationen. Medan vissa regioner omvandlades direkt från den isolerande till den metalliska fasen, andra förvandlas till en sekund, olika isoleringstillstånd innan det blir metalliskt vid högre temperaturer med den exakta vägen som tas beroende på de defekter som finns i materialet. Samexistensen av tre faser har radikalt förändrat synen på tidigare studier som antog närvaron av endast två stater under övergången. Ännu mer, studien presenterar nya sätt på vilka övergången skulle kunna kontrolleras.

Förutom de resultat som erhållits på fasövergången i VO2, arbetet belyser också de möjligheter som röntgenholografi erbjuder för att studera material på nanoskala. Tekniken är den enda metoden som kan avbilda realtidsdynamik i nanoskala och används nu för att studera egenskaperna hos andra spännande material som högtemperatursupraledare.