Löytö: valo muuttaa eristeen metalliksi 💡

Kansainvälinen tiedelehti on löytänyt, että valopulssien aiheuttamat muodonmuutosaallot voivat muuttaa eristysmateriaalin metalliksi äärimmäisen nopeasti. Tätä mekanismia on havaittu vanadiinioksidin ohutkalvossa.


Löydös, joka on julkaistu Nature Physics -lehdessä, voisi johtaa merkittäviin läpimurtoihin ultranopean elektroniikan maailmassa.

Entä jos olisi mahdollista muuttaa materiaalin luonteen salamannopeasti, siirtäen sen eristysvaiheesta metallivaiheeseen vain murto-osassa sekunnista? Tämä on saavutus, jonka ovat toteuttaneet CNRS:n ja Japanin kemistit ja fyysikot kansainvälisessä DYNACOM-tutkimuslaboratoriossa. He hyödyntivät tässä niin sanottujen "Mott"-eristeiden poikkeuksellisia ominaisuuksia.

Näiden materiaalien eristyskyky ei johdu sähkövarauksen kantajien puutteesta, kuten tavallisissa eristeissä, vaan niiden liikkuvuuden puutteesta elektronien välisten hylkivien vuorovaikutusten vuoksi. Vaikka ne ovat teoriassa johtavia, nämä materiaalit käyttäytyvät siis sähköisinä eristeinä.

Vanadiiniseskuoksidi, V2O3, on klassinen esimerkki Mott-eristeestä. Kun sitä jäähdytetään, se käy läpi näyttävän siirtymän kahden tilan välillä: huoneenlämmössä se on metallinen, mutta alhaisessa lämpötilassa se muuttuu eristykseksi, jossa sen elektronit ovat estyneitä vuorovaikutustensa vuoksi. Ranskalainen ja japanilainen tiedeyhteisö käytti ultralyhyitä valopulsseja (100 femtosekuntia; 1 fs = 10-15 s) laukaistakseen ultranopean siirtymän eristysvaiheesta metallivaiheeseen V2O3-ohutkalvossa.


Tämä ilmiö perustuu valopulssien aiheuttamien muodonmuutosaaltojen etenemiseen, jotka liikkuvat äänen nopeudella materiaalin läpi. Nämä aallot häiritsevät elektronien ja atomien järjestystä ja aiheuttavat tilan muutoksen. Fascinoivaa on, että tämä prosessi ei ole luonteeltaan lämpötilariippuvainen, vaan se vaikuttaa hienovaraisemmin suoraan materiaalin rakenteeseen.

X-säteiden diffraktiomittauksilla ja optisella spektroskopialla suoritetuissa kokeissa tiedemiehet havaitsivat, että tämä muutos johtuu siirtymisestä yksinkertaisempaan kiteiseen rakenteeseen ja tilavuuden supistumisesta. Toisin sanoen materiaali muuttuu metalliseksi vain, kun sen rakennetta on muutettu.

Näiden tulosten tarjoamat näkymät ovat lukuisat. Ymmärtäminen ja näiden ultranopeiden siirtymien hallinta voisi avata tien laitteille, jotka kykenevät vaihtamaan eri tilojen välillä vertaansa vailla olevalla nopeudella, mahdollisilla sovelluksilla tiedon tallennuksessa ja Mott-eristeisiin perustuvassa tekoälyssä.

Tämä tutkimus paljastaa näin ollen uuden puolen Mott-materiaaleista ja faasisiirtymistä, joissa elastiset aallot näyttelevät keskeistä roolia elektronisten ominaisuuksien muuttamisessa. Tuloksia voi tutkia Nature Physics -lehdessä.

Kirjoittaja: AVR

Viite
Eristys- ja metallivaiheen siirtymän eteneminen valopulssien aiheuttamien muodonmuutosaaltojen avulla Mott-materiaalissa.
T.Amano et al.
Nature Physics 2024
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02628-4