Observando como a luz produz um metal — novos detalhes sobre a transição isolante-metal em um material quântico

Com apenas um toque de um interruptor, materiais quânticos podem passar por mudanças drásticas. Um exemplo notável é a transição isolante-para-metal, um fenômeno físico reversível no qual um material muda de um estado isolante, que não conduzirá eletricidade, para um metálico que conduzirá.

A transição pode ser incrivelmente rápida, uma propriedade atraente para aplicações emergentes, incluindo dispositivos eletrônicos e ópticos ultrarrápidos; computadores neuromórficos inspirados no cérebro; e janelas inteligentes com eficiência energética que podem ajustar sua transparência em resposta a mudanças nas condições externas.

Embora transições rápidas de isolante para metal tenham sido documentadas em muitos materiais, como elas se desenvolvem ao longo do tempo é muito menos compreendido, pois a combinação de tamanho pequeno e velocidade rápida tornou a transição difícil de observar com técnicas experimentais disponíveis anteriormente.

Em uma nova pesquisa publicada em Cartas de revisão físicauma equipe liderada por físicos da Universidade Columbia usou um microscópio ultrarrápido para capturar a dinâmica da transição do isolante para o metal em um material chamado dióxido de vanádio (VO₂) com resolução temporal e espacial anteriormente inatingível.

“Apesar das escalas de comprimento extremamente pequenas e das escalas de tempo rápidas envolvidas, agora estamos em condições de gravar ‘filmes’ de transições de fase se desenvolvendo em materiais quânticos no espaço real e em tempo real”, disse o primeiro autor Aaron Sternbach, ex-aluno de doutorado e pós-doutorado em física da Universidade de Columbia, que agora é professor assistente estudando materiais quânticos controlados opticamente na Universidade de Maryland.

Voz₂ pode mudar entre um isolante e um metal em temperatura próxima à ambiente, o que o torna um candidato promissor para usos práticos em tecnologia. Um gatilho para a transição é a luz, que Sternbach e seus colegas mostraram não ser uma mudança instantânea. Em vez disso, eles descobriram que a transição ocorre pela formação de pequenas manchas de metal que então crescem e se fundem de forma não uniforme na amostra — embora, em apenas trilionésimos de segundo.

Os filmes que Sternbach e seus colegas gravaram com sua configuração experimental permitiram que eles visualizassem a transição do isolante para o metal se desenvolvendo em regiões selecionadas e crescendo por toda a amostra.

“É desejável conduzir a transição de fase com a menor quantidade de energia possível”, ele explicou. “No entanto, quando um mínimo de energia é usado, o metal na verdade se forma mais eficientemente em pequenas regiões da amostra. É muito emocionante que agora possamos ver isso acontecendo.”

O coautor Andrew Millis, um físico teórico da Columbia, observou que os resultados são empolgantes em muitos níveis. “A nova capacidade de ver como as transições de isolante para metal realmente acontecem será inestimável no design e na prototipagem de dispositivos reais”, disse ele.

“Os resultados obtidos neste material representam um desafio fascinante para nossa compreensão teórica da transição, que até então era baseada em modelos de materiais espacialmente homogêneos.”