La maggior parte dei materiali sono conduttori, attraverso i quali gli elettroni possono muoversi facilmente, o isolanti, dove gli elettroni sono tenuti immobili dalla struttura rigida dei loro atomi. Tuttavia, una classe di composti chiamati isolanti Mott mostrano un drammatico cambiamento di comportamento quando vengono irradiati con la luce. Quando questi materiali assorbono abbastanza energia, si trasformano rapidamente in uno stato conduttivo, che può persistere anche quando la luce è spenta.
Questa trasformazione, nota come transizione isolante-metallo (IMT), è il fenomeno centrale in una serie di sistemi affascinanti e tecnologicamente importanti. Ad esempio, lo sviluppo di dispositivi elettronici avanzati dipende dal controllo di questa transizione, che potrebbe consentire la creazione di dispositivi che commutano più velocemente, consumano meno energia e funzionano a temperature più elevate rispetto ai semiconduttori convenzionali.
Tuttavia, i meccanismi microscopici alla base dell’IMT rimangono sfuggenti, in parte a causa della natura complessa delle interazioni elettroniche coinvolte. Una teoria importante prevede che la transizione avvenga attraverso un processo cooperativo tra elettroni e vibrazioni reticolari, in cui gli elettroni creano prima distorsioni nel reticolo cristallino e poi queste distorsioni reticolari aprono nuovi percorsi per il movimento degli elettroni, portando allo stato metallico.
Questo gruppo di ricerca ha eseguito studi dettagliati dell'IMT in un prototipo di isolante Mott, il biossido di vanadio (VO2), utilizzando un apparato sperimentale unico che combina l'eccitazione ottica a femtosecondi presso l'Advanced Light Source con nano-imaging risolta in tempo presso il Max Planck Institute for Ricerca sullo stato solido. Questa configurazione consente loro di mappare simultaneamente l’evoluzione delle dinamiche elettroniche e reticolari nel VO2 con una risoluzione spaziale e temporale senza precedenti.
I ricercatori hanno scoperto che la transizione da isolante a metallo nel VO2 avviene attraverso una trasformazione non uniforme. Invece di effettuare transizioni ovunque nello stesso momento, hanno scoperto che la fase metallica si nuclea in specifici “punti caldi” e poi cresce e si coalizza per formare filamenti metallici che alla fine si estendono sull’intero materiale.
Le osservazioni ad alta risoluzione hanno permesso al team di collegare questi eventi di nucleazione a difetti e disomogeneità nella struttura cristallina. Hanno anche scoperto che l’IMT è estremamente sensibile alla temperatura del reticolo del materiale.
Questi risultati forniscono informazioni cruciali sulla fisica microscopica della transizione isolante-metallo e aprono la strada alla comprensione e, in definitiva, al controllo di questo fenomeno su scala nanometrica, che sarà cruciale per la progettazione e lo sviluppo di futuri dispositivi elettronici.
