대부분의 재료는 전자가 쉽게 움직일 수있는 도체 또는 절연체이며, 전자는 원자의 강성 구조에 의해 움직이지 않는다. 그러나, 모트 절연체 (Mott insulator)라고 불리는 화합물의 종류는 빛으로 조사 될 때 행동의 극적인 변화를 나타낸다. 이러한 재료가 충분한 에너지를 흡수 할 때, 그들은 빛이 꺼져 있어도 지속될 수있는 전도성 상태로 빠르게 변형됩니다.
IMT (Insulator-to-Metal Transition)로 알려진 이러한 변형은 여러 가지 매혹적이고 기술적으로 중요한 시스템의 중심 현상입니다. 예를 들어, 고급 전자 장치의 개발은이 전환을 제어하는 데 달려있어 더 빠르게 전환하고 전력을 덜 소비하며 기존의 반도체보다 더 높은 온도에서 작동하는 장치를 생성 할 수 있습니다.
그러나, IMT의 기초가되는 미세한 메커니즘은 부분적으로 관련된 전자 상호 작용의 복잡한 특성으로 인해 애매 모호하다. 하나의 눈에 띄는 이론은 전자와 격자 진동 사이의 협력 과정을 통해 전이가 발생한다고 예측합니다. 여기서 전자는 먼저 결정 격자에서 왜곡을 생성 한 다음, 이러한 격자 왜곡은 전자가 움직일 새로운 경로를 열어 금속 상태로 이어집니다.
이 연구팀은 고급 광원의 펨토초 광학 여기를 최대 플랑크 스테이트 리서치 연구소 (Max Planck Institute for Solid State Research)의 시간 분해 된 나노 이미징과 결합하는 독특한 실험 설정을 사용하여 프로토 타입 모트 절연체 인 VO2 (Vanadium dioxide)에서 IMT에 대한 상세한 연구를 수행했습니다. 이 설정을 통해 전례없는 공간 및 시간 해상도와 VO2에서 전자 및 격자 역학의 진화를 동시에 매핑 할 수 있습니다.
연구원들은 VO2에서의 절연체로 전이가 불균일 한 변형을 통해 발생한다는 것을 발견했다. 그들은 동시에 모든 곳에서 전환하는 대신, 금속 상이 특정 "핫스팟"에서 핵 생성 된 다음 성장하고 합쳐져 결국 전체 재료에 걸쳐있는 금속 필라멘트를 형성한다는 것을 발견했습니다.
고해상도 관찰을 통해 팀은 이러한 핵 생성 이벤트를 결정 구조의 결함 및 불균일에 연결할 수있었습니다. 또한 IMT는 재료의 격자 온도에 매우 민감하다는 것을 발견했습니다.
이러한 결과는 절연체 대-금속 전이의 현미경 물리학에 대한 중요한 통찰력을 제공하고 나노 스케일 에서이 현상을 이해하고 궁극적으로 제어하는 방법을 포장하여 미래 전자 장치의 설계 및 개발에 결정적인 것입니다.
