ほとんどの材料は、電子が簡単に動くことができる導体のいずれか、または原子の剛性構造によって電子が動かない場所である導体または絶縁体です。しかし、モット絶縁体と呼ばれる化合物のクラスは、光が照射されたときに劇的な行動の変化を示します。これらの材料が十分なエネルギーを吸収すると、すぐに伝導状態に変わり、光が消えても持続する可能性があります。
絶縁体から金属への遷移（IMT）として知られるこの変換は、多くの魅力的で技術的に重要なシステムの中心的な現象です。たとえば、高度な電子デバイスの開発は、この遷移を制御することにかかっています。これにより、従来の半導体よりも速く切り替え、電力を減らし、より高い温度で動作するデバイスの作成が可能になります。
ただし、IMTの根底にある微視的メカニズムは、関係する電子的相互作用の複雑な性質の一部に一部起因して、とらえどころのないままです。 1つの顕著な理論は、遷移が電子と格子振動の間の協調プロセスを通じて発生することを予測しています。そこでは、電子が最初に結晶格子に歪みを生じ、次にこれらの格子歪みが電子が移動する新しい経路を開き、金属状態につながります。
この研究チームは、進行した光源でのフェムト秒光源と固体州研究のためのマックスプランク研究所での時間分解ナノイメージングを組み合わせたユニークな実験セットアップを使用して、プロトタイプのモット絶縁体である二酸化バナジウム（VO2）でIMTの詳細な研究を実施しました。このセットアップにより、前例のない空間的および時間的解像度でVO2の電子および格子力学の進化を同時にマッピングできます。
研究者は、VO2の絶縁体から金属への移行が不均一な変換を通じて発生することを発見しました。同時にどこにでも移行する代わりに、金属相が特定の「ホットスポット」で核化され、成長して合体して、最終的に材料全体に及ぶ金属フィラメントを形成することを発見しました。
高解像度の観測により、チームはこれらの核形成イベントを結晶構造の欠陥と不均一性にリンクすることができました。彼らはまた、IMTが材料の格子温度に非常に敏感であることを発見しました。
これらの発見は、絶縁体から金属への移行の顕微鏡物理学に関する重要な洞察を提供し、ナノスケールでこの現象を理解し、最終的に制御する方法を開きます。これは、将来の電子機器の設計と開発に不可欠です。
