Pesquisadores do Instituto de Física do Estado Sólido (ISSP) da Universidade de Tóquio exploraram como a luz induz a transição isolante-metal (IMT) em um material quântico conhecido como dióxido de vanádio (VO2) usando uma configuração experimental inovadora. Eles foram capazes de observar como os spins dos elétrons, a carga e as vibrações da rede estão acoplados no VO2 e lançaram uma nova luz sobre os complexos mecanismos subjacentes do IMT.

As transições de fase são onipresentes na natureza, e uma das mais intrigantes é a transição de um estado isolante para um metálico. Este fenômeno está no cerne de muitas propriedades fascinantes, como supercondutividade e magnetorresistência colossal.

VO2 é um excelente exemplo de material que exibe IMT. À temperatura ambiente, é um isolante, o que significa que os elétrons não podem fluir facilmente através dele. No entanto, quando aquecido acima de 68 graus Celsius, sofre uma transformação dramática e se torna um metal, permitindo que os elétrons se movam livremente.

“Essa transição isolante-metal no VO2 foi estudada extensivamente, tanto teórica quanto experimentalmente”, diz o autor principal Ryotaro Arita. “No entanto, o mecanismo microscópico exato por trás da transição ainda é uma questão de debate”.

Para esclarecer este mistério, a equipe do ISSP empregou uma configuração experimental inovadora conhecida como espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo. Essa técnica permitiu acompanhar as mudanças na estrutura eletrônica do VO2 à medida que ele passa pelo TMI, com resolução temporal sem precedentes.

Seus experimentos revelaram que o IMT no VO2 é impulsionado por uma interação complexa entre spins de elétrons, carga e vibrações da rede. Os resultados sugerem que os spins dos elétrons desempenham um papel crucial no processo e que a transição envolve uma interação sutil entre diferentes bandas eletrônicas.

“Nossas descobertas fornecem novos insights sobre os mecanismos fundamentais subjacentes à transição isolante-metal no VO2 e abrem novas possibilidades para explorar e controlar este fenômeno fascinante em outros materiais quânticos”, diz Arita.

Este trabalho, publicado na Nature Communications, abre caminho para futuras pesquisas na física do IMT e pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos baseados em materiais quânticos.