Investigadores en Japón han logrado capturar una transformación electrónica tan rápida que hace que un parpadeo parezca un paseo tranquilo. El equipo, proveniente de Science Tokyo, la Universidad de Tohoku y el Instituto de Tecnología de Nagoya, utilizó espectroscopia láser ultrarrápida y cálculos teóricos para atrapar un estado intermedio fugaz en un marco metal-orgánico (MOF) que se forma y conduce a un estado fotoinducido oculto en solo 30 femtosegundos. Sí, femtosegundos: una millonésima de billonésima de segundo, para aquellos que no están acostumbrados a medir el tiempo en unidades absurdamente pequeñas.
El descubrimiento, publicado en Physical Review Letters, ofrece nuevas pistas sobre cómo la luz podría usarse algún día para controlar rápidamente las propiedades de materiales avanzados. Porque ¿para qué molestarse en calentar o enfriar cuando puedes simplemente disparar láseres a las cosas?
Los materiales pueden comportarse de maneras inesperadas después de absorber luz, a veces entrando en estados fotoinducidos con propiedades muy diferentes a las de su estado cotidiano. Estos estados proporcionan una forma alternativa de ajustar el comportamiento del material, y comprender cómo se forman es crucial para desarrollar futuros materiales fotorresponsivos y tecnologías ópticas avanzadas. Pero capturar estas transformaciones es complicado, ya que los primeros pasos se desarrollan en la escala de tiempo de los femtosegundos, más rápido de lo que puedes decir 'cámara de alta velocidad'.
Liderado por el profesor asistente Tadahiko Ishikawa del Departamento de Química de Science Tokyo, el equipo, incluido el entonces estudiante de doctorado Samiran Banu (ahora investigador postdoctoral especial en RIKEN) y colaboradores de la Universidad de Tohoku y el Instituto de Tecnología de Nagoya, se centró en un MOF, un material creado conectando iones metálicos con moléculas orgánicas. Su objetivo: determinar exactamente cómo se desarrolla un estado oculto fotoinducido.
"Descubrimos que el estado oculto fotoinducido se forma en 30 fs a través de un estado electrónico intermedio previamente desconocido", dijo Ishikawa, presumiblemente mientras ajustaba sus gafas de laboratorio.
Para rastrear la transformación, los investigadores utilizaron espectroscopia de reflectancia resuelta en el tiempo con pulsos láser ultracortos que duran solo seis fs. Esto les permitió medir cómo la luz reflejada por el material cambiaba casi inmediatamente después de que el MOF absorbiera un pulso láser. Dentro de 30 fs, el espectro de reflectancia cambió drásticamente, revelando una nueva banda de absorción óptica: señales claras de que el estado oculto se había formado.
Pero los experimentos por sí solos no podían contar toda la historia. El equipo combinó sus mediciones con cálculos teóricos para reconstruir la secuencia de eventos. Descubrieron que inmediatamente después de absorber luz, el material entraba brevemente en un estado electrónico intermedio donde los enlaces electrónicos entre sitios vecinos alternaban entre más fuertes y más débiles en un patrón repetitivo, un llamado estado de onda de orden de enlace. Este estado era fugaz, seguido de pequeños movimientos atómicos que finalmente producían el estado oculto fotoinducido.
Curiosamente, los cálculos teóricos sugieren que el estado recién formado puede ser polar, con cargas positivas y negativas distribuidas de manera desigual. Si estos estados polares fotoinducidos pueden crearse y controlarse de manera confiable, podrían ofrecer nuevas formas de manipular propiedades electrónicas usando luz.
"Al revelar estados intermedios, nuestro método podría ayudar a diseñar materiales que puedan controlarse eficientemente usando luz", explicó Ishikawa.
Más allá de explicar cómo se desarrolla un estado oculto fotoinducido, esta investigación apunta a una estrategia potencial para manipular propiedades de materiales con pulsos de luz extremadamente cortos. Crear y controlar estos estados temporales podría llevar a nuevos materiales fotorresponsivos para electrónica de alta velocidad, dispositivos optoelectrónicos y otras tecnologías que requieren un comportamiento preciso del material.
La investigación futura podría aplicar el mismo enfoque experimental y teórico a otros materiales, exponiendo los pasos previamente invisibles en transformaciones ultrarrápidas. Los científicos podrían entonces acercarse a diseñar materiales cuyas propiedades puedan