Forskare under ledning av Cornell har upptäckt ett ovanligt fenomen i ett metallisolerande material, vilket ger värdefulla insikter för design av material med nya egenskaper genom att snabbare växla mellan materiatillstånd.
Mott-isolatorer är en familj av material med unika elektroniska egenskaper, inklusive sådana som kan manipuleras av stimuli som ljus. Ursprunget till de unika egenskaperna är inte helt förstått, delvis på grund av den utmanande uppgiften att avbilda materialets nanostrukturer i verkliga rymden och fånga hur dessa strukturer genomgår fasförändringar på så snabbt som en biljondels sekund.
En ny studie publicerad i Nature Physics reda ut fysiken hos Mott-isolatorn, Ca2 RuO4 , eftersom den stimulerades med en laser. I oöverträffad detalj observerade forskare interaktioner mellan materialets elektroner och underliggande gitterstruktur, med hjälp av ultrasnabba röntgenpulser för att fånga "ögonblicksbilder" av strukturella förändringar i Ca2 RuO4 inom kritiska pikosekunder efter excitation med lasern.
Resultaten var oväntade – elektroniska omarrangemang är generellt sett snabbare än galler, men motsatsen observerades i experimentet.
"Vanligtvis svarar de snabba elektronerna på stimuli och drar de långsammare atomerna med sig", säger huvudförfattaren Anita Verma, postdoktor i materialvetenskap och teknik. "Det vi hittade i det här arbetet är ovanligt:atomerna reagerade snabbare än elektroner."
Även om forskare inte är säkra på varför atomgittret kan röra sig så snabbt, är en hypotes att materialets nanotextur ger det kärnbildningspunkter som hjälper till att omorganisera gittret, liknande hur underkyld is börjar bildas snabbast runt en förorening i vatten.
Forskningen bygger på en uppsats från 2023 där Andrej Singer, senior författare och biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik, och andra forskare använde kraftfull röntgenstrålning, fasåtervinningsalgoritmer och maskininlärning för att få en visualisering i verklig rymd av samma material i nanoskala.
"Att kombinera de två experimenten gav oss denna insikt att i vissa material som det här kan vi byta faser mycket snabbt - i storleksordningen 100 gånger snabbare än i andra material som inte har denna textur," sa Singer. "Vi är hoppfulla att denna effekt är en allmän väg för att påskynda byten och resultera i några intressanta tillämpningar på vägen."
Singer sa att i vissa Mott-isolatorer inkluderar applikationer utveckling av material som är transparenta i sitt isolerande tillstånd och som sedan snabbt blir ogenomskinliga när de exciteras till sitt metalliska tillstånd. Den underliggande fysiken kan också ha konsekvenser för framtida, snabbare elektronik.
Singers forskargrupp planerar att fortsätta använda samma avbildningstekniker för att undersöka nya faser av materia som skapas när nanotexturerade tunna filmer exciteras med yttre stimuli.
Mer information: Anita Verma et al, Picosecond volymexpansion driver en senare isolator-metallövergång i en Mott-isolator med nanotextur, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02396-1
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Cornell University
