Materialen die bij hoge temperaturen stroom geleiden en bij lagere temperaturen juist isoleren zijn al decennia bekend. Maar hoe die faseovergang zich op kleine schalen voltrekt, konden natuurkundigen tot voor kort niet meten. Met een nieuwe techniek brengen Van Heumen en zijn collega Alex McLeod van de Universiteit van California, San Diego, nu tot op de schaal van nanometers in beeld welke veranderingen zich in het materiaal voltrekken bij zo’n faseovergang. 

Filevorming

Wat ze zagen was een zogenoemde percolatieovergang van de elektronen in het materiaal. Boven een bepaalde, kritische temperatuurgrens bewegen elektronen relatief gemakkelijk door het materiaal, zo kan er stroom door het materiaal lopen. Maar wanneer de temperatuur tot de drempelwaarde zakt, ontketent een kleine onzuiverheid in het materiaal een soort filevorming onder de elektronen. De vrije elektronen komen plotsklaps gezamenlijk tot stilstand; het materiaal verliest abrupt zijn geleidende eigenschappen.

Het materiaal waarin Van Heumen en collega’s de geleidingsovergang onderzochten is het metaaloxide vanadiumsesquioxide, V₂O₃, een exotisch broertje van bekendere metaaloxides als magnetiet en roest. Dit soort metaaloxides zijn interessant omdat ze elektrische eigenschappen hebben die van pas kunnen komen in elektronica. Van Heumen: ‘Je zou dit soort schakelbare materialen kunnen inzetten naast de huidige siliciumtechnologie in bijvoorbeeld laptops en telefoons. Het is goedkoop en energiezuinig en kan dus bijdragen aan verduurzaming.’ Daarnaast is Van Heumen enthousiast over mogelijke toepassingen op het raakvlak met de quantumtechnologie. ‘Silicium warmt op bij gebruik en verstoort daarmee de gevoelige quantumtechnologie. De abrupte geleidingsovergang die wij hebben onderzocht zou ook onder invloed van bijvoorbeeld een lichtflits kunnen optreden. Dat is minder verstorend en biedt daarom nieuwe mogelijkheden voor het isoleren van de rekeneenheden van de quantumcomputer.’

Lego voor gevorderden

Maar voor het zo ver is, moet de faseovergang in oxides beter worden begrepen. Van Heumen: ‘Wij doen nu het fundamentele onderzoek om alle eigenschappen van het materiaal te leren kennen, zoals wetenschappers dat veertig jaar geleden met silicium deden. Nu zit silicium in al onze elektronica, dus wie weet wat we over twintig jaar met deze materialen doen.’

Van Heumen en McLeod slaagden erin de zestig jaar oude theorie te toetsen, omdat ze via een vernuftige omweg de resolutie van hun microscoop wisten te verhogen. Tot voor kort beperkte de golflengte van licht – op de schaal van enige micrometers in het geval van het gebruikte infraroodlicht – de resolutie van geleidingsmetingen. Maar de natuurkundigen tastten het materiaal af met een naaldje dat met een ruimtelijke resolutie van 25 nanometer oppikt of het onderliggend materiaal geleidt of isoleert. Dat naaldje gedraagt zich tegelijkertijd als een antenne die deze informatie terugstuurt naar een detector. McLeod: ‘Met die techniek konden we voor het eerst precies waarnemen hoe de geleidingsovergang zich verspreidt door het materiaal.’

Het experiment vond plaats op honderd graden onder het vriespunt, nog geen ideale temperatuur voor toepassingen in de echte wereld. Maar Van Heumen vertrouwt erop dat er binnenkort materialen gecreëerd zullen worden die eenzelfde overgang bij kamertemperatuur doormaken. ‘Het maken van zulk materiaal is een soort lego voor gevorderden. Daar wordt hard aan gewerkt en dat ziet er veelbelovend uit.’

Publicatiegegevens

Alex McLeod, Erik van Heumen, et al.: ’Nanotextured phase coexistence in the correlated insulator V2O3’, in: Nature Physics. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3882