Pesquisadores do Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido em Stuttgart, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e da Fonte de Luz Avançada do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley combinaram novas técnicas de sonda de bomba com varredura de nanofocagem para descobrir os detalhes do isolador transição -para-metal.

A maioria dos materiais são condutores, através dos quais os elétrons podem se mover facilmente, ou isolantes, onde os elétrons são mantidos imóveis pela estrutura rígida de seus átomos. No entanto, uma classe de compostos chamados isoladores Mott exibe uma mudança dramática de comportamento quando são irradiados com luz. Quando esses materiais absorvem energia suficiente, eles rapidamente se transformam em um estado condutor, que pode persistir mesmo quando a luz está apagada.

Esta transformação, conhecida como transição isolante-metal (IMT), é o fenômeno central em uma série de sistemas fascinantes e tecnologicamente importantes. Por exemplo, o desenvolvimento de dispositivos eletrónicos avançados depende do controlo desta transição, o que poderia permitir a criação de dispositivos que comutam mais rapidamente, consomem menos energia e funcionam a temperaturas mais elevadas do que os semicondutores convencionais.

No entanto, os mecanismos microscópicos subjacentes ao IMT permanecem indefinidos, em parte devido à natureza complexa das interações eletrônicas envolvidas. Uma teoria proeminente prevê que a transição ocorre através de um processo cooperativo entre elétrons e vibrações da rede, onde os elétrons primeiro criam distorções na rede cristalina e então essas distorções da rede abrem novos caminhos para os elétrons se moverem, levando ao estado metálico.

Esta equipe de pesquisa realizou estudos detalhados do IMT em um isolador Mott prototípico, dióxido de vanádio (VO2), usando uma configuração experimental única que combina excitação óptica de femtosegundo na Fonte de Luz Avançada com nanoimagem resolvida no tempo no Instituto Max Planck de Pesquisa de estado sólido. Esta configuração permite mapear simultaneamente a evolução da dinâmica eletrônica e de rede no VO2 com resolução espacial e temporal sem precedentes.

Os pesquisadores descobriram que a transição isolante-metal no VO2 ocorre através de uma transformação não uniforme. Em vez de fazer a transição para todos os lugares ao mesmo tempo, eles descobriram que a fase metálica nuclea em “pontos quentes” específicos e depois cresce e se aglutina para formar filamentos metálicos que eventualmente abrangem todo o material.

As observações de alta resolução permitiram à equipe vincular esses eventos de nucleação a defeitos e heterogeneidades na estrutura cristalina. Eles também descobriram que o IMT é extremamente sensível à temperatura da rede do material.

Estas descobertas fornecem informações cruciais sobre a física microscópica da transição isolante-metal e abrem caminho para a compreensão e, em última análise, o controle deste fenômeno em nanoescala, o que será crucial para o projeto e desenvolvimento de futuros dispositivos eletrônicos.