La mayoría de los materiales son conductores, a través de los cuales los electrones pueden moverse fácilmente, o aislantes, donde los electrones se mantienen inmóviles debido a la estructura rígida de sus átomos. Sin embargo, una clase de compuestos llamados aisladores Mott exhiben un cambio dramático de comportamiento cuando se irradian con luz. Cuando estos materiales absorben suficiente energía, se transforman rápidamente en un estado conductor, que puede persistir incluso cuando la luz está apagada.
Esta transformación, conocida como transición de aislante a metal (IMT), es el fenómeno central de una serie de sistemas fascinantes y tecnológicamente importantes. Por ejemplo, el desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados depende del control de esta transición, lo que podría permitir la creación de dispositivos que cambien más rápido, consuman menos energía y funcionen a temperaturas más altas que los semiconductores convencionales.
Sin embargo, los mecanismos microscópicos subyacentes a las IMT siguen siendo difíciles de alcanzar, en parte debido a la naturaleza compleja de las interacciones electrónicas involucradas. Una teoría destacada predice que la transición se produce a través de un proceso cooperativo entre los electrones y las vibraciones de la red, donde los electrones primero crean distorsiones en la red cristalina y luego estas distorsiones de la red abren nuevas vías para que los electrones se muevan, conduciendo al estado metálico.
Este equipo de investigación ha realizado estudios detallados del IMT en un aislante Mott prototípico, el dióxido de vanadio (VO2), utilizando una configuración experimental única que combina la excitación óptica de femtosegundos en la Fuente de Luz Avanzada con nanoimágenes resueltas en el tiempo en el Instituto Max Planck para Investigación de estado sólido. Esta configuración les permite trazar simultáneamente la evolución de la dinámica electrónica y reticular en VO2 con una resolución espacial y temporal sin precedentes.
Los investigadores descubrieron que la transición de aislante a metal en el VO2 se produce mediante una transformación no uniforme. En lugar de realizar una transición en todas partes al mismo tiempo, descubrieron que la fase metálica se nuclea en "puntos calientes" específicos y luego crece y se fusiona para formar filamentos metálicos que eventualmente abarcan todo el material.
Las observaciones de alta resolución permitieron al equipo vincular estos eventos de nucleación con defectos e irregularidades en la estructura cristalina. También descubrieron que el IMT es extremadamente sensible a la temperatura de la red del material.
Estos hallazgos proporcionan información crucial sobre la física microscópica de la transición de aislante a metal y allanan el camino para comprender y, en última instancia, controlar este fenómeno a nanoescala, que será crucial para el diseño y desarrollo de futuros dispositivos electrónicos.
