Visão artÃstica do diagrama de fases do material de Mott V2O3, destacando seu estado isolante inicial (em azul) antes da fotoexcitação por um laser ultrarrápido, levando-o a um estado metálico (em amarelo) através de um mecanismo de onda de deformação.
© Tatsuya Amano
Uma descoberta, publicada na revista Nature Physics, que pode levar a avanços significativos no mundo da eletrônica ultrarrápida.
E se fosse possÃvel mudar a natureza de um material em um piscar de olhos, transformando-o de isolante para metal em uma fração de segundo? Foi essa façanha que quÃmicos e fÃsicos do CNRS e do Japão conseguiram no âmbito do Laboratório Internacional de Pesquisa DYNACOM. Para isso, eles exploraram as propriedades notáveis de um isolante conhecido como "de Mott".
O caráter isolante desses materiais não resulta da ausência de portadores de carga elétrica, como é o caso dos isolantes convencionais, mas sim da falta de mobilidade causada pelas interações repulsivas entre os elétrons. Embora teoricamente condutores, esses materiais se comportam como isolantes elétricos.
O sesquióxido de vanádio, V2O3, é um exemplo clássico de isolante de Mott. Quando resfriado, ele apresenta uma transição espetacular entre dois estados: metálico à temperatura ambiente, torna-se isolante em baixas temperaturas, onde seus elétrons ficam bloqueados por suas interações. Uma equipe de cientistas franceses e japoneses utilizou pulsos luminosos ultracurtos (100 femtosegundos; 1 fs = 10-15 s) para provocar uma transição ultrarrápida do estado isolante para o metálico em um filme fino de V2O3.
Representação esquemática do mecanismo de propagação de uma transição de fase ultrarrápida na velocidade do som.
Da esquerda para a direita: fotoexcitação inicial (a) induzindo uma pressão negativa interna (b) e propagação da transformação eletrônica na esteira de uma frente de onda de deformação compressiva (c).
© Etienne Janod
Esse fenômeno baseia-se na propagação de ondas de deformação geradas pelos pulsos luminosos, que se movem à velocidade do som através do material. Essas ondas alteram a organização dos elétrons e átomos e provocam uma mudança de estado. O mais fascinante é que esse processo não é de natureza térmica, mas atua de maneira mais sutil, modificando diretamente a estrutura do material.
Por meio de experimentos com resolução temporal de difração de raios X e espectroscopia óptica, os cientistas observaram que essa transformação é controlada por uma transição para uma estrutura cristalina de simetria mais simples e por uma contração de volume. Em outras palavras, o material só se torna metálico quando sua estrutura foi modificada.
As perspectivas que esses resultados oferecem são inúmeras. Compreender e controlar essas transições ultrarrápidas pode abrir caminho para dispositivos capazes de alternar entre diferentes estados a uma velocidade incomparável, com aplicações potenciais no armazenamento de informações e na inteligência artificial baseada na fÃsica dos isolantes de Mott.
Esse estudo revela uma nova faceta dos materiais de Mott e das transições de fase, em que ondas elásticas desempenham um papel crucial na transformação das propriedades eletrônicas. Resultados a serem conferidos na revista Nature Physics.
Redator: AVR
Referência
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