Les chercheurs ont utilisé des impulsions électriques pour basculer ces commutateurs entre les états isolant et conducteur tout en prenant des instantanés qui montraient des changements subtils dans la disposition de leurs atomes sur des milliardièmes de seconde. Ces instantanés, prise avec la caméra de diffraction d'électrons ultrarapide du SLAC, MeV-UED, ont été enchaînés pour créer un film moléculaire des mouvements atomiques.

"Cette caméra ultrarapide peut réellement regarder à l'intérieur d'un matériau et prendre des instantanés de la façon dont ses atomes se déplacent en réponse à une impulsion aiguë d'excitation électrique, " a déclaré le collaborateur Aaron Lindenberg, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC et professeur au Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Stanford. "À la fois, il mesure également comment les propriétés électroniques de ce matériau changent au fil du temps. »

Avec cette caméra, l'équipe a découvert un nouveau, état intermédiaire dans le matériau. Il est créé lorsque le matériau répond à une impulsion électrique en passant de l'état isolant à l'état conducteur.

"Les états isolant et conducteur ont des dispositions atomiques légèrement différentes, et il faut généralement de l'énergie pour passer de l'un à l'autre, ", a déclaré Xiaozhe Shen, scientifique et collaboratrice du SLAC. "Mais lorsque la transition a lieu à travers cet état intermédiaire, le basculement peut avoir lieu sans aucune modification de l'arrangement atomique."

Ouvrir une fenêtre sur le mouvement atomique

Bien que l'état intermédiaire n'existe que pour quelques millionièmes de seconde, il est stabilisé par des défauts du matériau.

Pour faire suite à cette recherche, l'équipe étudie comment concevoir ces défauts dans les matériaux pour rendre ce nouvel état plus stable et plus durable. Cela leur permettra de fabriquer des dispositifs dans lesquels la commutation électronique peut se produire sans aucun mouvement atomique, qui fonctionnerait plus rapidement et nécessiterait moins d'énergie.

« Les résultats démontrent la robustesse de la commutation électrique sur des millions de cycles et identifient les limites possibles des vitesses de commutation de tels appareils, " a déclaré le collaborateur Shriram Ramanathan, professeur à Purdue. "La recherche fournit des données inestimables sur les phénomènes microscopiques qui se produisent lors du fonctionnement de l'appareil, ce qui est crucial pour la conception de modèles de circuits à l'avenir."

La recherche offre également une nouvelle façon de synthétiser des matériaux qui n'existent pas dans des conditions naturelles, permettant aux scientifiques de les observer sur des échelles de temps ultrarapides, puis d'ajuster potentiellement leurs propriétés.

"Cette méthode nous donne une nouvelle façon de regarder les appareils pendant qu'ils fonctionnent, ouvrir une fenêtre pour voir comment les atomes se déplacent, " a déclaré l'auteur principal et chercheur du SIMES Aditya Sood. " C'est passionnant de rassembler des idées des domaines traditionnellement distincts du génie électrique et de la science ultrarapide. Notre approche permettra la création d'appareils électroniques de nouvelle génération capables de répondre aux besoins croissants du monde en matière de informatique intelligente."