تمكن باحثون في اليابان من التقاط صورة لتحول إلكتروني يحدث بسرعة تجعل غمضة العين تبدو وكأنها نزهة على مهل. الفريق، من جامعة طوكيو للعلوم، وجامعة توهوكو، ومعهد ناغويا للتكنولوجيا، استخدم مطيافية الليزر فائقة السرعة والحسابات النظرية لالتقاط حالة وسيطة عابرة في إطار معدني عضوي (MOF) تتشكل وتؤدي إلى حالة مستحثة ضوئيًا خفية خلال 30 فيمتو ثانية فقط. نعم، فيمتو ثانية - أي جزء من مليون من مليار من الثانية، لمن لا يعتادون قياس الوقت بوحدات صغيرة بشكل سخيف.

الاكتشاف، الذي نُشر في Physical Review Letters، يقدم أدلة جديدة حول كيف يمكن للضوء أن يُستخدم يومًا ما للتحكم بسرعة في خصائص المواد المتقدمة. لأنه لماذا نكلف أنفسنا عناء التسخين أو التبريد عندما يمكننا فقط صعق الأشياء بالليزر؟

يمكن للمواد أن تتصرف بطرق غير متوقعة بعد امتصاص الضوء، وأحيانًا تدخل في حالات مستحثة ضوئيًا بخصائص مختلفة تمامًا عن حالتها العادية. توفر هذه الحالات طريقة بديلة لتعديل سلوك المواد، وفهم كيفية تشكلها أمر حاسم لتطوير مواد ضوئية الاستجابة وتقنيات بصرية متقدمة في المستقبل. لكن التقاط هذه التحولات صعب، لأن الخطوات الأولى تتكشف على مقياس زمني فيمتو ثانية - أسرع من أن تقول 'كاميرا عالية السرعة'.

بقيادة الأستاذ المساعد تاداهيكو إيشيكاوا من قسم الكيمياء في جامعة طوكيو للعلوم، ركز الفريق، بما في ذلك طالب الدكتوراه آنذاك ساميران بانو (الآن باحث ما بعد الدكتوراه الخاص في RIKEN) والمتعاونون من جامعة توهوكو ومعهد ناغويا للتكنولوجيا، على MOF - وهي مادة مصنوعة عن طريق ربط أيونات المعادن بجزيئات عضوية. كان هدفهم: تحديد كيفية تطور حالة خفية مستحثة ضوئيًا بالضبط.

"وجدنا أن الحالة الخفية المستحثة ضوئيًا تتشكل خلال 30 فيمتو ثانية من خلال حالة إلكترونية وسيطة غير معروفة سابقًا،" قال إيشيكاوا، على الأرجح وهو يضبط نظارته المخبرية.

لتتبع التحول، استخدم الباحثون مطيافية الانعكاسية الزمنية مع نبضات ليزر فائقة القصر تدوم ست فيمتو ثوانٍ فقط. سمح لهم ذلك بقياس كيفية تغير الضوء المنعكس عن المادة فورًا تقريبًا بعد امتصاص MOF لنبضة الليزر. خلال 30 فيمتو ثانية، تحول طيف الانعكاسية بشكل كبير، كاشفًا عن نطاق امتصاص بصري جديد - علامات واضحة على أن الحالة الخفية قد تشكلت.

لكن التجارب وحدها لم تستطع سرد القصة كاملة. جمع الفريق قياساتهم مع الحسابات النظرية لإعادة بناء تسلسل الأحداث. وجدوا أنه بعد امتصاص الضوء مباشرة، دخلت المادة لفترة وجيزة في حالة إلكترونية وسيطة حيث تناوبت الروابط الإلكترونية بين المواقع المجاورة بين أقوى وأضعف في نمط متكرر - ما يسمى بحالة موجة ترتيب الروابط. كانت هذه الحالة عابرة، تبعتها حركات ذرية صغيرة أنتجت في النهاية الحالة الخفية المستحثة ضوئيًا.

ومن المثير للاهتمام، تشير الحسابات النظرية إلى أن الحالة المشكلة حديثًا قد تكون قطبية، مع توزيع غير متساوٍ للشحنات الموجبة والسالبة. إذا أمكن إنشاء هذه الحالات القطبية المستحثة ضوئيًا والتحكم فيها بشكل موثوق، فقد توفر طرقًا جديدة للتلاعب بالخصائص الإلكترونية باستخدام الضوء.

"من خلال كشف الحالات الوسيطة، يمكن أن تساعد طريقتنا في تصميم مواد يمكن التحكم فيها بكفاءة باستخدام الضوء،" أوضح إيشيكاوا.

إلى جانب شرح كيفية تطور حالة خفية مستحثة ضوئيًا، يشير هذا البحث إلى استراتيجية محتملة للتلاعب بخصائص المواد باستخدام نبضات ضوئية قصيرة للغاية. إن إنشاء هذه الحالات المؤقتة والتحكم فيها يمكن أن يؤدي إلى مواد ضوئية الاستجابة جديدة للإلكترونيات عالية السرعة، والأجهزة البصرية الإلكترونية، وغيرها من التقنيات التي تتطلب سلوكًا دقيقًا للمواد.

يمكن للأبحاث المستقبلية تطبيق نفس النهج التجريبي والنظري على مواد أخرى، مما يكشف الخطوات غير المرئية سابقًا في التحولات فائقة السرعة. قد يقترب العلماء بعد ذلك من تصميم مواد يمكن التحكم في خصائصها