Investigadores del Instituto de Física del Estado Sólido (ISSP) de la Universidad de Tokio exploraron cómo la luz induce la transición de aislante a metal (IMT) en un material cuántico conocido como dióxido de vanadio (VO2) utilizando una configuración experimental innovadora. Pudieron observar cómo los espines de los electrones, la carga y las vibraciones de la red se acoplan en el VO2 y arrojaron nueva luz sobre los complejos mecanismos subyacentes de la IMT.

Las transiciones de fase son omnipresentes en la naturaleza y una de las más intrigantes es la transición de un estado aislante a uno metálico. Este fenómeno está en el corazón de muchas propiedades fascinantes, como la superconductividad y la colosal magnetorresistencia.

VO2 es un excelente ejemplo de un material que exhibe IMT. A temperatura ambiente, es un aislante, lo que significa que los electrones no pueden atravesarlo fácilmente. Sin embargo, cuando se calienta por encima de los 68 grados Celsius, sufre una transformación dramática y se convierte en metal, lo que permite que los electrones se muevan libremente.

"Esta transición de aislante a metal en el VO2 se ha estudiado ampliamente, tanto teórica como experimentalmente", dice el autor principal, Ryotaro Arita. "Sin embargo, el mecanismo microscópico exacto detrás de la transición sigue siendo un tema de debate".

Para arrojar luz sobre este misterio, el equipo del ISSP empleó una innovadora configuración experimental conocida como espectroscopia de fotoemisión de resolución temporal. Esta técnica les permitió seguir los cambios en la estructura electrónica del VO2 a medida que sufre el IMT, con una resolución temporal sin precedentes.

Sus experimentos revelaron que la IMT en el VO2 está impulsada por una compleja interacción entre los espines de los electrones, la carga y las vibraciones de la red. Los resultados sugieren que los espines de los electrones desempeñan un papel crucial en el proceso y que la transición implica una interacción sutil entre diferentes bandas electrónicas.

"Nuestros hallazgos proporcionan nuevos conocimientos sobre los mecanismos fundamentales que subyacen a la transición de aislante a metal en el VO2 y abren nuevas posibilidades para explorar y controlar este fascinante fenómeno en otros materiales cuánticos", afirma Arita.

Este trabajo, publicado en Nature Communications, allana el camino para futuras investigaciones sobre la física de las IMT y podría conducir al desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos basados ​​en materiales cuánticos.