Vista artística del diagrama de fase del material Mott V2O3, destacando su estado aislante inicial (en azul) antes de su fotoexcitación por un láser ultrarrápido, llevándolo hacia un estado metálico (en amarillo) a través de un mecanismo de onda de deformación.
© Tatsuya Amano
Un descubrimiento, publicado en la revista Nature Physics, que podría conducir a avances importantes en el mundo de la electrónica ultrarrápida.
¿Y si fuera posible cambiar la naturaleza de un material en un parpadeo, haciéndolo pasar de aislante a metal en una fracción de segundo? Este es el logro que han conseguido químicos y físicos del CNRS y de Japón en el marco del Laboratorio Internacional de Investigación DYNACOM. Para ello, aprovecharon las propiedades excepcionales de un aislante denominado "de Mott".
El carácter aislante de estos materiales no se debe a la ausencia de portadores de carga eléctrica, como en los aislantes convencionales, sino a su falta de movilidad debido a las interacciones repulsivas entre electrones. Aunque teóricamente conductores, estos materiales se comportan como aislantes eléctricos.
El sesquióxido de vanadio, V2O3, es un ejemplo clásico de un aislante de Mott. Al enfriarlo, presenta una transición espectacular entre dos estados: metálico a temperatura ambiente, se convierte en aislante a baja temperatura, donde sus electrones quedan bloqueados por sus interacciones. Un equipo de científicos franceses y japoneses utilizó pulsos luminosos ultracortos (100 femtosegundos; 1 fs = 10-15 s) para desencadenar un paso ultrarrápido del estado aislante al metálico en una película delgada de V2O3.
Representación esquemática del mecanismo de propagación de una transición de fase ultrarrápida a la velocidad del sonido.
De izquierda a derecha: fotoexcitación inicial (a) que induce una presión negativa interna (b) y propagación de la transformación electrónica en la estela de un frente de onda de deformación compresiva (c).
© Etienne Janod
Este fenómeno se basa en la propagación de ondas de deformación generadas por los pulsos luminosos que se desplazan a la velocidad del sonido a través del material. Estas ondas alteran la organización de los electrones y los átomos, provocando un cambio de estado. Lo fascinante es que este proceso no es de naturaleza térmica, sino que actúa de manera más sutil al modificar directamente la estructura del material.
Gracias a experimentos de difracción de rayos X y espectroscopia óptica resueltos en el tiempo, los científicos observaron que esta transformación es guiada por un paso a una estructura cristalina de simetría más simple y por una contracción del volumen. En otras palabras, el material solo se convierte en metálico cuando su estructura ha sido modificada.
Las perspectivas que ofrecen estos resultados son numerosas. Comprender y controlar estas transiciones ultrarrápidas podría abrir camino a dispositivos capaces de conmutar entre diferentes estados a una velocidad sin precedentes, con aplicaciones potenciales en el almacenamiento de información y en la inteligencia artificial basada en la física de los aislantes de Mott.
Este estudio revela así una nueva faceta de los materiales de Mott y de las transiciones de fase, donde las ondas elásticas desempeñan un papel clave en la transformación de las propiedades electrónicas. Resultados que se pueden descubrir en la revista Nature Physics.
Redactor: AVR
Referencia
Propagation of insulator-to-metal transition driven by photoinduced strain waves in a Mott material.
T.Amano et al.
Nature Physics 2024
https://doi.org/10.1038/s41567-024-02628-4