Le contrôle du flux d'électrons au sein des circuits passe par le choix approprié des matériaux. Les métaux permettent aux électrons de circuler librement et les isolants empêchent la conduction. En général, les propriétés électriques d'un matériau sont déterminées lorsque le matériau est fabriqué et ne peuvent pas être modifiées par la suite sans changer le matériau. Cependant, il existe des matériaux qui peuvent présenter un comportement métallique ou isolant en fonction de leur température. Pouvoir changer leurs propriétés, ces matériaux pourraient conduire à une nouvelle génération d'appareils électroniques.

Le dioxyde de vanadium (VO2) est l'un de ces matériaux. Il peut passer d'une phase isolante à une phase métallique juste au-dessus de la température ambiante, une fonctionnalité déjà exploitée pour les capteurs. Cependant, la raison pour laquelle ses propriétés changent si radicalement fait l'objet d'un débat scientifique depuis plus de 50 ans.

L'un des défis pour comprendre pourquoi et comment ce changement se produit est un processus appelé séparation de phases. La transition de phase isolant-métal est similaire à la transition glace-liquide dans l'eau. Quand la glace fond, l'eau liquide et l'eau solide peuvent coexister dans des régions distinctes. De la même manière, en VO2, des régions isolantes et métalliques du matériau peuvent coexister pendant la transition. Mais contrairement à l'eau, dans lequel les deux phases sont souvent assez grandes pour être vues à l'œil nu, en VO2, cette séparation se produit à l'échelle nanométrique, et il est donc difficile à observer. Par conséquent, il a été difficile de déterminer si les vraies propriétés de chaque phase, ou un mélange des deux phases, sont mesurés.

Les rayons X sont un outil clé pour comprendre les propriétés des matériaux, mais il est difficile de construire des lentilles pour des microscopes capables de les détecter. Cependant, dans une étude récente publiée dans Lettres nano , une équipe de chercheurs de l'ICFO et de l'ALBA à Barcelone, la Technisch Universitat et l'Institut Max-Born de Berlin, et l'Université Vanderbilt du Tennessee, a enfin pu sonder les transitions de phase qui se produisent dans les films minces de VO2 en utilisant l'holographie aux rayons X mous résonnants. Cette technique est capable d'imager les changements électroniques et structurels de ce matériau avec une résolution sans précédent à l'échelle nanométrique sans avoir besoin d'une lentille.

En regardant le matériau avec une résolution de 50 nm, les scientifiques ont pu observer que les défauts du matériau jouent un rôle important dans l'initiation de la transition de phase de l'isolant au métal. Cependant, plus important, les auteurs ont également observé un troisième état intermédiaire formé lors de la transformation de phase. Alors que certaines régions se sont transformées directement de la phase isolante à la phase métallique, d'autres transformés en un second, état isolant différent avant de devenir métallique à des températures plus élevées avec le cheminement exact emprunté en fonction des défauts présents dans le matériau. La coexistence de trois phases a radicalement changé les vues des études précédentes qui supposaient la présence de seulement deux états pendant la transition. Encore plus, l'étude présente de nouvelles façons de contrôler la transition.

En plus des résultats obtenus sur la transition de phase dans VO2, les travaux mettent également en évidence les possibilités offertes par l'holographie aux rayons X pour l'étude des matériaux à l'échelle nanométrique. La technique est la seule méthode qui peut imager la dynamique nanométrique en temps réel et est maintenant utilisée pour étudier les propriétés d'autres matériaux intrigants tels que les supraconducteurs à haute température.