Des chercheurs au Japon ont réussi à prendre une photo d'une transformation électronique si rapide qu'elle fait paraître un clin d'œil comme une promenade tranquille. L'équipe, composée de membres de Science Tokyo, de l'Université de Tohoku et de l'Institut de technologie de Nagoya, a utilisé la spectroscopie laser ultrarapide et des calculs théoriques pour attraper un état intermédiaire éphémère dans un cadre métallo-organique (MOF) qui se forme et mène à un état photoinduit caché en seulement 30 femtosecondes. Oui, des femtosecondes - un millionième de milliardième de seconde, pour ceux qui n'ont pas l'habitude de mesurer le temps en unités absurdement petites.
La découverte, publiée dans Physical Review Letters, offre de nouveaux indices sur la façon dont la lumière pourrait un jour être utilisée pour contrôler rapidement les propriétés de matériaux avancés. Parce que pourquoi s'embêter à chauffer ou refroidir quand on peut simplement zapper des trucs avec des lasers ?
Les matériaux peuvent se comporter de manière inattendue après avoir absorbé de la lumière, entrant parfois dans des états photoinduits avec des propriétés très différentes de leur état normal. Ces états offrent une autre façon d'ajuster le comportement des matériaux, et comprendre comment ils se forment est crucial pour développer de futurs matériaux photoréactifs et des technologies optiques avancées. Mais capturer ces transformations est délicat, car les premières étapes se déroulent à l'échelle de la femtoseconde - plus vite que vous ne pouvez dire « caméra haute vitesse ».
Dirigée par le professeur assistant Tadahiko Ishikawa du département de chimie de Science Tokyo, l'équipe, comprenant l'étudiant en doctorat Samiran Banu (maintenant chercheur postdoctoral spécial à RIKEN) et des collaborateurs de l'Université de Tohoku et de l'Institut de technologie de Nagoya, s'est concentrée sur un MOF - un matériau fabriqué en connectant des ions métalliques avec des molécules organiques. Leur objectif : déterminer exactement comment un état caché photoinduit se développe.
« Nous avons découvert que l'état caché photoinduit se forme en 30 fs à travers un état électronique intermédiaire inconnu auparavant », a déclaré Ishikawa, probablement en ajustant ses lunettes de laboratoire.
Pour suivre la transformation, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de réflectance résolue en temps avec des impulsions laser ultra-courtes durant seulement six fs. Cela leur a permis de mesurer comment la lumière réfléchie par le matériau changeait presque immédiatement après que le MOF ait absorbé une impulsion laser. En 30 fs, le spectre de réflectance a changé radicalement, révélant une nouvelle bande d'absorption optique - des signes clairs que l'état caché s'était formé.
Mais les expériences seules ne pouvaient pas raconter toute l'histoire. L'équipe a combiné ses mesures avec des calculs théoriques pour reconstruire la séquence des événements. Ils ont découvert que immédiatement après avoir absorbé la lumière, le matériau entrait brièvement dans un état électronique intermédiaire où les liaisons électroniques entre les sites voisins alternaient entre plus fortes et plus faibles selon un motif répétitif - un soi-disant état d'onde d'ordre de liaison. Cet état était éphémère, suivi de petits mouvements atomiques qui produisaient finalement l'état caché photoinduit.
Fait intéressant, les calculs théoriques suggèrent que l'état nouvellement formé pourrait être polaire, avec des charges positives et négatives inégalement réparties. Si ces états polaires photoinduits peuvent être créés et contrôlés de manière fiable, ils pourraient offrir de nouvelles façons de manipuler les propriétés électroniques en utilisant la lumière.
« En révélant les états intermédiaires, notre méthode pourrait aider à concevoir des matériaux qui peuvent être efficacement contrôlés par la lumière », a expliqué Ishikawa.
Au-delà d'expliquer comment un état caché photoinduit se développe, cette recherche pointe vers une stratégie potentielle pour manipuler les propriétés des matériaux avec des impulsions lumineuses extrêmement courtes. Créer et contrôler ces états temporaires pourrait conduire à de nouveaux matériaux photoréactifs pour l'électronique à haute vitesse, les dispositifs optoélectroniques, et d'autres technologies nécessitant un comportement précis des matériaux.
La recherche future pourrait appliquer la même approche expérimentale et théorique à d'autres matériaux, exposant les étapes invisibles des transformations ultrarapides. Les scientifiques pourraient alors se rapprocher de la conception de matériaux dont les propriétés peuvent être