Forscher in Japan haben es geschafft, ein Bild einer elektronischen Umwandlung zu machen, die so schnell abläuft, dass ein Augenzwinkern im Vergleich wie ein gemütlicher Spaziergang wirkt. Das Team, bestehend aus Wissenschaftlern von Science Tokyo, der Tohoku-Universität und dem Nagoya Institute of Technology, nutzte ultraschnelle Laser-Spektroskopie und theoretische Berechnungen, um einen flüchtigen Zwischenzustand in einem metallorganischen Gerüst (MOF) zu erfassen, der sich innerhalb von nur 30 Femtosekunden bildet und zu einem verborgenen photoinduzierten Zustand führt. Ja, Femtosekunden – ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde, für diejenigen unter euch, die nicht daran gewöhnt sind, Zeit in absurd kleinen Einheiten zu messen.
Die Entdeckung, veröffentlicht in Physical Review Letters, bietet neue Hinweise darauf, wie Licht eines Tages genutzt werden könnte, um die Eigenschaften fortschrittlicher Materialien schnell zu steuern. Denn warum sich mit Erhitzen oder Kühlen abmühen, wenn man einfach mit Lasern draufballern kann?
Materialien können sich nach der Absorption von Licht unerwartet verhalten und manchmal in photoinduzierte Zustände übergehen, deren Eigenschaften sich stark von ihrem Alltagszustand unterscheiden. Diese Zustände bieten eine alternative Möglichkeit, das Materialverhalten zu beeinflussen, und das Verständnis ihrer Entstehung ist entscheidend für die Entwicklung zukünftiger photoresponsiver Materialien und fortschrittlicher optischer Technologien. Doch diese Umwandlungen einzufangen ist knifflig, da die ersten Schritte auf der Femtosekunden-Zeitskala ablaufen – schneller, als man 'Hochgeschwindigkeitskamera' sagen kann.
Unter der Leitung von Assistenzprofessor Tadahiko Ishikawa vom Department of Chemistry an der Science Tokyo, zusammen mit dem damaligen Doktoranden Samiran Banu (jetzt Special Postdoctoral Researcher bei RIKEN) und Mitarbeitern der Tohoku-Universität und des Nagoya Institute of Technology, konzentrierte sich das Team auf ein MOF – ein Material, das durch die Verbindung von Metallionen mit organischen Molekülen entsteht. Ihr Ziel: genau herauszufinden, wie sich ein photoinduzierter verborgener Zustand entwickelt.
„Wir fanden heraus, dass sich der photoinduzierte verborgene Zustand innerhalb von 30 fs über einen bisher unbekannten Zwischenzustand bildet“, sagte Ishikawa, vermutlich während er seine Laborbrille zurechtrückte.
Um die Umwandlung zu verfolgen, verwendeten die Forscher zeitaufgelöste Reflexionsspektroskopie mit ultrakurzen Laserpulsen von nur sechs fs Dauer. Dadurch konnten sie messen, wie sich das vom Material reflektierte Licht fast unmittelbar nach der Absorption des Laserpulses durch das MOF veränderte. Innerhalb von 30 fs verschob sich das Reflexionsspektrum dramatisch und offenbarte eine neue optische Absorptionsbande – klare Anzeichen dafür, dass sich der verborgene Zustand gebildet hatte.
Doch Experimente allein konnten nicht die ganze Geschichte erzählen. Das Team kombinierte seine Messungen mit theoretischen Berechnungen, um die Abfolge der Ereignisse zu rekonstruieren. Sie fanden heraus, dass das Material unmittelbar nach der Lichtabsorption kurzzeitig einen Zwischenzustand einnahm, in dem die elektronischen Bindungen zwischen benachbarten Stellen in einem sich wiederholenden Muster zwischen stärker und schwächer wechselten – ein sogenannter Bindungsordnungswellen-Zustand. Dieser Zustand war flüchtig, gefolgt von kleinen atomaren Bewegungen, die schließlich den photoinduzierten verborgenen Zustand erzeugten.
Interessanterweise deuten theoretische Berechnungen darauf hin, dass der neu gebildete Zustand polar sein könnte, mit ungleichmäßig verteilten positiven und negativen Ladungen. Wenn diese photoinduzierten polaren Zustände zuverlässig erzeugt und kontrolliert werden können, könnten sie neue Wege bieten, elektronische Eigenschaften mit Licht zu manipulieren.
„Indem wir Zwischenzustände aufdecken, könnte unsere Methode helfen, Materialien zu entwerfen, die sich effizient mit Licht steuern lassen“, erklärte Ishikawa.
Über die Erklärung hinaus, wie sich ein photoinduzierter verborgener Zustand entwickelt, weist diese Forschung auf eine mögliche Strategie zur Manipulation von Materialeigenschaften mit extrem kurzen Lichtpulsen hin. Die Erzeugung und Kontrolle dieser temporären Zustände könnte zu neuen photoresponsiven Materialien für Hochgeschwindigkeitselektronik, optoelektronische Geräte und andere Technologien führen, die präzises Materialverhalten erfordern.
Zukünftige Forschung könnte denselben experimentellen und theoretischen Ansatz auf andere Materialien anwenden und die bisher unsichtbaren Schritte ultraschneller Umwandlungen sichtbar machen. Wissenschaftler könnten dann näher daran kommen, Materialien zu entwerfen, deren Eigenschaften sich