Il controllo del flusso di elettroni all'interno dei circuiti si ottiene attraverso la scelta appropriata dei materiali. I metalli consentono agli elettroni di fluire liberamente e gli isolanti impediscono la conduzione. Generalmente, le proprietà elettriche di un materiale sono determinate al momento della fabbricazione del materiale e non possono essere modificate in seguito senza cambiare il materiale. Però, ci sono materiali che possono esibire un comportamento metallico o isolante a seconda della loro temperatura. Essere in grado di cambiare le loro proprietà, questi materiali potrebbero portare a una nuova generazione di dispositivi elettronici.

Il biossido di vanadio (VO2) è uno di questi materiali. Può passare da una fase isolante ad una fase metallica appena al di sopra della temperatura ambiente, una caratteristica già sfruttata per i sensori. Però, la ragione per cui le sue proprietà cambiano così drasticamente è stata oggetto di dibattito scientifico per oltre 50 anni.

Una delle sfide per capire perché e come si verifica questo passaggio è un processo chiamato separazione di fase. La transizione di fase isolante-metallo è simile alla transizione ghiaccio-liquido in acqua. Quando il ghiaccio si scioglie, sia l'acqua liquida che quella solida possono coesistere in regioni separate. Allo stesso modo, in VO2, regioni isolanti e metalliche del materiale possono coesistere durante la transizione. Ma a differenza dell'acqua, in cui le due fasi sono spesso abbastanza grandi da poter essere viste ad occhio nudo, in VO2, questa separazione avviene su scala nanometrica, ed è quindi difficile da osservare. Di conseguenza, è stato difficile determinare se le vere proprietà di ciascuna fase, o una miscela di entrambe le fasi, vengono misurati.

I raggi X sono uno strumento fondamentale per comprendere le proprietà dei materiali, ma è difficile costruire lenti per microscopi in grado di rilevarli. Però, in un recente studio pubblicato su Nano lettere , un team di ricercatori dell'ICFO e dell'ALBA di Barcellona, la Technisch Universitat e il Max-Born Institute di Berlino, e la Vanderbilt University nel Tennessee, è stato finalmente in grado di sondare le transizioni di fase che si verificano nei film sottili di VO2 utilizzando l'olografia a raggi X molli risonanti. Questa tecnica è in grado di visualizzare i cambiamenti elettronici e strutturali in questo materiale con una risoluzione senza precedenti su scala nanometrica senza la necessità di una lente.

Osservando il materiale con una risoluzione di 50 nm, gli scienziati hanno potuto osservare che i difetti nel materiale svolgono un ruolo importante nell'iniziare la transizione di fase dall'isolante al metallo. Però, ma ancora più importante, gli autori hanno anche osservato un terzo stato intermedio formato durante la trasformazione di fase. Mentre alcune regioni si sono trasformate direttamente dalla fase isolante a quella metallica, altri trasformati in un secondo, diverso stato isolante prima di diventare metallico a temperature più elevate con l'esatto percorso seguito a seconda dei difetti presenti nel materiale. La coesistenza di tre fasi ha cambiato radicalmente il punto di vista degli studi precedenti che ipotizzavano la presenza di due soli stati durante la transizione. Ancora di più, lo studio presenta nuovi modi in cui la transizione potrebbe essere controllata.

Oltre ai risultati ottenuti sulla transizione di fase in VO2, il lavoro mette in luce anche le possibilità offerte dall'olografia a raggi X per lo studio dei materiali su scala nanometrica. La tecnica è l'unico metodo in grado di visualizzare le dinamiche su nanoscala in tempo reale e viene ora utilizzata per studiare le proprietà di altri materiali interessanti come i superconduttori ad alta temperatura.