Материалы, которые проводят электричество при высокой температуре, но изолируют при более низких температурах, были известны в течение многих десятилетий. Однако до недавнего времени не было возможно непосредственно иметь размеры, как такие переходы фазы продолжаются на маленьких шкалах расстояний. Используя новую технику, Ван Хеумен и Маклеод теперь в состоянии визуализировать изменения, происходящие в материале во время такого перехода фазы в масштабе миллимикрона.
В их экспериментах команда наблюдала так называемый переход просачивания, происходящий среди электронов в материале. Выше определенной критической температуры электроны могут переместиться относительно легко через материал, позволяющий поток электрического тока. Когда температура опускается ниже пороговой температуры, маленькие недостатки в материале вызывают своего рода пробку для электронов.
Начинаясь с маленьких шкал расстояний миллимикрона, эта пробка медленно растет за пределы через весь материал. Ранее свободно движущиеся электроны прерываются, и материал утрачивает свои имущества проведения.Материал, в котором команда исследовала переход металла к изолятору, является металлической окисью, названной ванадием-sesquioxide, V2O3, который является более экзотическим родственником более известных металлических окисей, таких как магнетит или ржавчина.
Такие металлические окиси интересны из-за своих экзотических электрических свойств, которые могли найти использование в будущих приложениях электроники. ‘Вы могли использовать эти типы переключаемых материалов вместе с текущей кремниевой технологией, используемой в сотовых телефонах или ноутбуках’, говорит Ван Хеумен. ‘Эти материалы дешевые, энергосберегающие и могли способствовать улучшающейся устойчивости’. Ван Хеумен также восторжен по поводу возможных заявлений во взаимодействии с квантовой технологией. ‘Когда используется, кремний нагревается и становится подрывным к чувствительной квантовой технологии.
Резкий переход металлического изолятора, который мы исследовали, мог также быть вынужден произойти под влиянием, например, вспышка света, которая могла найти применение для лучшей изоляции вычислительных единиц квантовых компьютеров.’Тем не менее, больше исследования в области переходов фазы в окисях необходимо, прежде чем это становится действительностью. Ван Хеумен: ‘Фундаментальное исследование, которое мы в настоящее время проводим, чтобы лучше понять свойства этих материалов, подобно в духе исследованию в области кремния сорок лет назад. В наше время кремниевая технология объединена во всей нашей электронике, поэтому кто знает то, что эти материалы будут использоваться в течение двадцати лет с этого времени’.
Используя изобретательный метод, чтобы увеличить разрешение их микроскопа, Ван Хеумен и Маклеод преуспели в том, чтобы проверить 60-летнюю теорию, которая объясняет выключатель от металла до изолятора. До недавнего времени длина волны света – с масштабом нескольких микрометров в случае инфракрасного света – ограничила разрешение электрических измерений проводимости. Физики использовали маленькую иглу, чтобы исследовать изолирование или проведение природы материала ниже его с резолюцией 25 миллимикронов. Сама игла действует как немного антенны, которая передает эту информацию обратно в датчик.
Маклеод: ‘Наша техника позволяет оптическое отображение в беспрецедентном пространственном разрешении. С этим уникальным методом мы могли непосредственно визуализировать впервые, как переход распространяется через материал’.Эксперимент произошел в 100 градусах? ниже точки замерзания, не действительно идеальный для реальных заявлений.
Однако Ван Хеумен полагает, что материалы будут скоро спроектированы, чтобы показать подобные переходы при комнатной температуре. ‘Создание этих материалов похоже на Legos для экспертов. Это – центр интенсивной научно-исследовательской работы, которая выглядит очень перспективной’.