I ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno realizzato un materiale che può passare da un metallo che trasmette elettricità a un materiale isolante non conduttore senza modificare la sua struttura atomica.

"Questa è una scoperta piuttosto eccitante, "dice Chang-Beom Eom, professore di scienze e ingegneria dei materiali. "Abbiamo trovato un nuovo metodo di commutazione elettronica."

Il nuovo materiale potrebbe gettare le basi per dispositivi elettronici ultraveloci. Eom e il suo team internazionale di collaboratori hanno pubblicato i dettagli della loro avanzata oggi (30 novembre, 2018) sulla rivista Scienza .

Metalli come il rame o l'argento conducono elettricità, mentre gli isolanti come la gomma o il vetro non consentono il flusso di corrente. Alcuni materiali, però, può passare da isolante a conduttore.

Questa transizione di solito significa che la disposizione degli atomi di un materiale e dei suoi elettroni conduttori deve cambiare in modo coordinato, ma la transizione atomica in genere procede molto più lentamente di quella più piccola, elettroni più leggeri che conducono elettricità.

Un materiale che può passare a condurre elettricità come un metallo senza muovere i suoi atomi potrebbe aumentare notevolmente le velocità di commutazione dei dispositivi avanzati, dice Eom.

"La transizione metallo-isolante è molto importante per gli interruttori e per i dispositivi logici con uno stato uno o zero, " dice. "Abbiamo il potenziale per utilizzare questo concetto per effettuare cambi molto veloci".

Nella loro ricerca, Eom e i suoi collaboratori hanno risposto a una domanda fondamentale che ha infastidito gli scienziati per anni:la transizione elettronica e strutturale può essere disaccoppiata, essenzialmente, possono gli elettroni che cambiano rapidamente esplodere da soli e lasciare gli atomi dietro?

Hanno usato un materiale chiamato biossido di vanadio, che è un metallo quando è riscaldato e un isolante quando è a temperatura ambiente. Ad alte temperature, gli atomi che compongono il biossido di vanadio sono disposti in uno schema che si ripete regolarmente che gli scienziati chiamano fase rutilo. Quando il biossido di vanadio si raffredda per diventare un isolante, i suoi atomi adottano un modello diverso, detto monoclino.

Nessuna sostanza presente in natura conduce elettricità quando i suoi atomi sono nella conformazione monoclina. E ci vuole tempo perché gli atomi si riorganizzino quando un materiale raggiunge la temperatura di transizione isolante-metallo.

In modo cruciale, il biossido di vanadio passa tra un metallo e un isolante a temperature diverse a seconda della quantità di ossigeno presente nel materiale. I ricercatori hanno sfruttato questo fatto per creare due sottili strati di biossido di vanadio, uno con una temperatura di transizione leggermente inferiore rispetto all'altro, inseriti uno sopra l'altro, con un'interfaccia netta tra.

Quando hanno riscaldato il sottile sandwich al biossido di vanadio, uno strato ha trasformato l'interruttore strutturale in un metallo. Gli atomi nell'altro strato sono rimasti bloccati nella fase monoclina isolante. Sorprendentemente, però, quella parte del materiale condotto elettricità.

Più importante, il materiale è rimasto stabile e ha mantenuto le sue caratteristiche uniche.

Sebbene altri gruppi di ricerca abbiano tentato di creare isolanti elettricamente conduttivi, quei materiali hanno perso le loro proprietà quasi istantaneamente, persistendo per semplici femtosecondi, o pochi millesimi di un trilionesimo di secondo.

Il materiale del team Eom, però, è qui per restare.

"Siamo riusciti a stabilizzarlo, rendendolo utile per dispositivi reali, "dice Eom.

La chiave del loro approccio era il doppio strato, struttura a sandwich. Ogni strato era così sottile che l'interfaccia tra i due materiali dominava il comportamento dell'intera pila. È un'idea che Eom e colleghi intendono perseguire ulteriormente.

"La progettazione di interfacce potrebbe aprire nuovi materiali, "dice Eom.

La Wisconsin Alumni Research Foundation sta assistendo i ricercatori con il deposito di brevetti.