El control del flujo de electrones dentro de los circuitos se logra mediante la elección adecuada de materiales. Los metales permiten que los electrones fluyan libremente y los aislantes evitan la conducción. En general, las propiedades eléctricas de un material se determinan cuando se fabrica el material y no se pueden cambiar posteriormente sin cambiar el material. Sin embargo, hay materiales que pueden presentar un comportamiento metálico o aislante en función de su temperatura. Poder cambiar sus propiedades, estos materiales podrían dar lugar a una nueva generación de dispositivos electrónicos.

El dióxido de vanadio (VO2) es uno de esos materiales. Puede pasar de una fase aislante a una fase metálica justo por encima de la temperatura ambiente, una característica ya explotada para sensores. Sin embargo, la razón por la que sus propiedades cambian tan drásticamente ha sido un tema de debate científico durante más de 50 años.

Uno de los desafíos para comprender por qué y cómo ocurre este cambio es un proceso llamado separación de fases. La transición de la fase aislante-metal es similar a la transición hielo-líquido en el agua. Cuando el hielo se derrita tanto el agua líquida como la sólida pueden coexistir en regiones separadas. Similar, en VO2, Las regiones aislantes y metálicas del material pueden coexistir durante la transición. Pero a diferencia del agua, en el que las dos fases suelen ser lo suficientemente grandes como para verlas a simple vista, en VO2, esta separación ocurre en la nanoescala, y por lo tanto es un desafío observar. Como resultado, Ha sido difícil determinar si las verdaderas propiedades de cada fase, o una mezcla de ambas fases, se están midiendo.

Los rayos X son una herramienta clave para comprender las propiedades de los materiales, pero es difícil construir lentes para microscopios que puedan detectarlos. Sin embargo, en un estudio reciente publicado en Nano letras , un equipo de investigadores del ICFO y ALBA de Barcelona, la Technisch Universitat y Max-Born Institute de Berlín, y la Universidad de Vanderbilt en Tennessee, finalmente ha podido sondear las transiciones de fase que ocurren en películas delgadas de VO2 usando holografía resonante de rayos X suaves. Esta técnica es capaz de obtener imágenes de los cambios electrónicos y estructurales en este material con una resolución sin precedentes a nanoescala sin la necesidad de una lente.

Al observar el material con una resolución de 50 nm, los científicos pudieron observar que los defectos en el material juegan un papel importante en el inicio de la transición de fase del aislante al metal. Sin embargo, más importante, los autores también observaron un tercer estado intermedio formado durante la transformación de fase. Mientras que algunas regiones se transformaron directamente de la fase aislante a la metálica, otros transformados en un segundo, diferente estado de aislamiento antes de volverse metálico a temperaturas más altas con el camino exacto tomado dependiendo de los defectos presentes en el material. La coexistencia de tres fases ha cambiado radicalmente la visión de estudios previos que asumían la presencia de solo dos estados durante la transición. Aún más, el estudio presenta nuevas formas de controlar la transición.

Además de los resultados obtenidos en la transición de fase en VO2, el trabajo también destaca las posibilidades que ofrece la holografía de rayos X para estudiar materiales a nanoescala. La técnica es el único método que puede obtener imágenes de la dinámica a nanoescala en tiempo real y ahora se está utilizando para estudiar las propiedades de otros materiales intrigantes, como los superconductores de alta temperatura.