Verrassingsfysica in isolatiemateriaal biedt pad voor snellere technologie

Onderzoekers onder leiding van Cornell hebben een ongebruikelijk fenomeen ontdekt in een metaalisolerend materiaal, wat waardevolle inzichten oplevert voor het ontwerp van materialen met nieuwe eigenschappen door sneller te schakelen tussen toestanden van materie.

Mott-isolatoren vormen een familie van materialen met unieke elektronische eigenschappen, waaronder eigenschappen die kunnen worden gemanipuleerd door stimuli zoals licht. De oorsprong van de unieke eigenschappen is nog niet volledig duidelijk, deels vanwege de uitdagende taak om de nanostructuren van het materiaal in de echte ruimte in beeld te brengen en vast te leggen hoe deze structuren faseveranderingen ondergaan in een snelheid van slechts een biljoenste van een seconde.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurfysicaontrafelde de fysica van de Mott-isolator, Ca₂RuO₄, omdat het werd gestimuleerd met een laser. In ongekend detail observeerden onderzoekers de interacties tussen de elektronen van het materiaal en de onderliggende roosterstructuur, waarbij ze ultrasnelle röntgenpulsen gebruikten om ‘momentopnamen’ te maken van structurele veranderingen in de Ca.₂RuO₄ binnen kritische picoseconden na excitatie met de laser.

De resultaten waren onverwacht: elektronische herschikkingen zijn over het algemeen sneller dan roosterherschikkingen, maar in het experiment werd het tegenovergestelde waargenomen.

“Normaal gesproken reageren de snelle elektronen op stimuli en slepen ze de langzamere atomen met zich mee”, zegt hoofdauteur Anita Verma, postdoctoraal onderzoeker in materiaalkunde en techniek. “Wat we in dit werk hebben gevonden is ongebruikelijk: de atomen reageerden sneller dan elektronen.”

Hoewel onderzoekers niet zeker weten waarom het atoomrooster zo snel kan bewegen, is één hypothese dat de nanotextuur van het materiaal kiempunten geeft die helpen bij het herschikken van het rooster, vergelijkbaar met hoe onderkoeld ijs zich het snelst begint te vormen rond een onzuiverheid in water.

Het onderzoek bouwt voort op een artikel uit 2023 waarin Andrej Singer, senior auteur en assistent-professor in materiaalkunde en -techniek, en andere wetenschappers krachtige röntgenstralen, fase-ophaalalgoritmen en machinaal leren gebruikten om een ​​real-space visualisatie te krijgen van de hetzelfde materiaal op nanoschaal.

“Het combineren van de twee experimenten gaf ons het inzicht dat we in sommige materialen zoals deze heel snel van fase kunnen wisselen – in de orde van grootte van 100 keer sneller dan bij andere materialen die deze textuur niet hebben”, zei Singer. “We hebben goede hoop dat dit effect een algemeen pad zal zijn om het overstappen te versnellen en in de toekomst tot een aantal interessante toepassingen te leiden.”

Singer zei dat de toepassingen van sommige Mott-isolatoren onder meer het ontwikkelen van materialen omvatten die transparant zijn in hun isolerende staat en vervolgens snel ondoorzichtig worden zodra ze in hun metaalachtige staat zijn geëxciteerd. De onderliggende fysica zou ook implicaties kunnen hebben voor toekomstige, snellere elektronica.

De onderzoeksgroep van Singer is van plan dezelfde beeldvormingstechnieken te blijven gebruiken om nieuwe fasen van materie te onderzoeken die ontstaan ​​wanneer dunne films met nanotextuur worden opgewonden door externe stimuli.