Понят переход металла в изолятор

Физикам впервые удалось напрямую визуализировать на малых масштабах, как материал резко меняет свое состояние от проводника к изолятору при низких температурах. Таким образом, исследователи Эрик ван Хоймен (Erik van Heumen) из Университета Амстердама и Алекс Маклеод (Alex McLeod) из Университета Калифорнии представили доказательства для 60-летней теории, которая объясняет это явление и проложили путь для более энергоэффективных технологий.

Материалы, которые проводят электрический ток при высокой температуре, но являются изоляторами при более низких температурах, известны в течение многих десятилетий. Тем не менее до недавнего времени не было возможности непосредственно измерить, как такие фазовые переходы действуют на малых масштабах длины. С помощью новой методики Ван Хоймен и Маклеод теперь смогли визуализировать изменения, происходящие в материале в процессе такого фазового перехода в нанометровом масштабе.

В своих экспериментах команда наблюдала так называемый перколяционный переход, происходящий среди электронов в материале. Выше некоторой критической температуры электроны могут перемещаться относительно легко по материалу, создавая электрический ток. Когда температура падает ниже порогового значения, небольшие дефекты в материале создают своего рода затор для электронов. Начиная от нанометровых масштабов длины, эти заторы медленно распространяются по всему материалу. Ранее свободно движущиеся электроны резко останавливаются, и материал теряет свои проводящие свойства.

Материал, в котором команда исследовала переход металл-изолятор, является окисью металла, называемой полуторная окись ванадия, V2O3, которая является экзотическим родственник более известных металлических окислов, таких как магнетит или ржавчина. Такие металлические оксиды интересны из-за их экзотических электрических свойств, которые могли бы найти применение в будущих приложениях электроники. «Вы могли бы использовать эти типы переключаемых материалов наряду с современными кремниевыми технологиями, используемыми в мобильных телефонах и ноутбуках, - говорит ван Хоймен. - Эти материалы являются дешевыми, энергоэффективными и могут способствовать повышению устойчивости».

Ван Хоймен также полон энтузиазма относительно возможных приложений на границе с квантовой технологией. «При использовании кремний нагревается и становится разрушительным для чувствительной квантовой технологии. Резкий переход металл-изолятор, который мы исследовали, также может происходить под влиянием, например, вспышки света, что могло бы найти применение для лучшей изоляции вычислительных блоков квантовых компьютеров».

Тем не менее, необходимы дополнительные исследования фазовых переходов в оксидах, прежде чем это станет реальностью. «Фундаментальные исследования, которые мы проводим в настоящее время, чтобы лучше понять свойства этих материалов, близки по духу к исследованиям кремния сорок лет назад. На сегодняшний день кремниевая технология интегрирована во всю нашу электронику, но кто знает, будут ли эти материалы использоваться в течение последующих двадцати лет», - заметил ван Хоймен.

Используя остроумный метод, чтобы увеличить разрешение микроскопа, ван Хоймену и Маклеоду удалось проверить старую теорию 60-летней давности, объясняющую переход от металла к изолятору. До недавнего времени длина волны света – несколько микрометров в случае инфракрасного света – ограничивала разрешение измерений электропроводности. Физики использовали небольшую иглу, чтобы исследовать природу изолятора или проводника с разрешением 25 нанометров. Сама игла действует как маленькая антенна, которая посылает эту информацию обратно к детектору. Маклеод отметил: «Наша методика позволяет оптическую визуализацию при беспрецедентном пространственном разрешении. С помощью этого уникального метода мы могли впервые непосредственно наблюдать, как переход распределяется по материалу».

Эксперимент проходил при температуре 100 °С ниже точки замерзания, что не идеально подходит для реальных приложений. Тем не менее, Ван Хоймен считает, что в скором времени будет разработан материал, в котором подобные переходы происходят при комнатной температуре: «Создание этих материалов, как лего для специалистов. Они находятся в центре внимания интенсивной научно-исследовательской работы, которая выглядит весьма перспективной».

Сеть проводящих и изолирующих рек, как ее видно в окисле металла в середине фазового перехода

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI