Wisconsin-Madison Üniversitesi’ndeki araştırmacılar elektrik ileten bir metalden, atomik yapısını değiştirmeden yalıtkan olabilen bir malzeme geliştirdiler. Bu yeni malzeme ultra-hızlı elektronik aletler için zemin hazırlıyor. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Chang-Beom Eom ve uluslararası iş birliğiyle oluşan ekibi bu araştırmalarının detayını “Science” dergisinde yayımladılar. 
Bakır, gümüş gibi bazı metaller elektriği iletirken, cam ya da kauçuk gibi yalıtkanlar akım geçişine olanak tanımaz. Ancak kimi malzemeler yalıtkan durumundan iletken durumuna geçiş yapabiliyor. Bu geçiş genellikle malzeme iç yapısında bulunan atomların yeniden düzenlenmesi ve iletken elektronlarının koordine bir şekle gelmesi anlamına geliyor ama atomik geçiş genellikle elektriği ileten, daha ufak ve hafif elektronlardan çok daha yavaş ilerler.
Eom, atomlarını hareket ettirmeden elektrik iletkenliğini değiştiren metal gibi bir malzemenin, gelişmiş cihazların anahtarlama hızını önemli ölçüde arttırabileceğini söylüyor. “ Metalden izolatöre geçiş, anahtarlar için ve bir veya sıfır durumu olan mantık aygıtları için çok önemlidir” diyor ve “ Bu konsepti çok hızlı anahtarlar yapmak için kullanma potansiyeline sahibiz.” diye ekliyor. Araştırmada Eom ve ekibi” Elektronik ve yapısal geçiş ayrıştırılabilir mi – temel olarak, hızla değişen elektronlar kendi başlarına ayrılıp atomları geride bırakabilir mi?” sorusunu cevapladı.
Oda sıcaklığında olduğunda bir izolatör olan ve ısıtıldığında bir metal olan vanadyum dioksit olarak adlandırılan bir malzeme kullandılar. Yüksek sıcaklıklarda, vanadyum dioksitin atomları bilim insanlarının rutil faz dediği devamlı, tekrar eden bir desen halinde düzenlenir. Vanadyum dioksit soğuduğunda ve bir yalıtkan haline geldiğinde, atomları monoklinik adı verilen farklı bir deseni oluştururlar. Doğal olarak oluşan hiçbir madde atomları monoklinik bir yapıda olduğunda, elektrik üretemez ve bir maddenin yalıtkan-metal geçiş sıcaklığına ulaştığında atomların yeniden düzenlenmesi zaman alır.
En önemlisi, dioksit malzemede mevcut olan oksijen miktarına bağlı olarak bir metal ve bir yalıtkan arasında farklı sıcaklıklarda geçiş yapar. Araştırmacılar bu bilgiyi arasında keskin bir ara yüzey sıkıştırılıp sandviç haline gelmiş olan iki ince tabaka vanadyum oksit- biri diğerinden daha düşük geçiş ısına sahip olmak üzere- oluşturmak için kullandılar. İnce vanadyum dioksit sandviçini ısıttıklarında, tabakalardan birinde yapı iletken metal yapısına dönüşürken diğer tabakadaki atomlar yalıtkan monoklinik fazda kaldı. Ancak şaşırtıcı bir şekilde malzemenin monoklinik fazda kalan tabakası elektriği iletti. Daha da önemlisi, malzeme stabil kaldı ve kendine özgü olan karakteristik özelliklerini kaybetmedi.
Diğer araştırma grupları elektriksel olarak iletken izolatörler oluşturmaya çalışmış olsalar da bu materyaller özelliklerini neredeyse bir anda kaybettiler – sadece femtosaniyede ya da saniyenin bir trilyonda birinde. Ancak Eom ve ekibinin ortaya çıkardığı malzeme bunu aşmasıyla kalıcı olacak gibi görünüyor. Eom yarattıkları malzeme hakkında “ Stabil duruma getirebildik ve cihazlarda kullanmak için işe yarar hale getirdik” açıklamasında bulundu.
Araştırmalarının anahtar noktası bu malzemenin çift katmanlı sandviç yapısıydı. Her iki tabaka o kadar inceydi ki iki malzeme arasındaki ara yüzey tüm yapının nasıl davranacağını yönlendirdi. Eom ve ekibi ileride de malzemenin bu eğiliminin peşine düşecek.
“Ara yüzler tasarlamak yeni malzemeler yaratabilir” diyor Profesör Eom çalışmanın geleceği hakkında. Araştırmanın şu an son durumu, Wisconsin Mezunlar Araştırma Vakfı, araştırmacılara patent başvurusunda yardımcı olmakta.
Kaynakça ve İleri okuma:
http://science.sciencemag.org/content/362/6418/1037
Switching identities: Revolutionary insulator-like material also conducts electricity
