Ricercatori in Giappone sono riusciti a scattare una foto a una trasformazione elettronica così veloce che fa sembrare un batter d'occhio una passeggiata tranquilla. Il team, proveniente da Science Tokyo, Università di Tohoku e Istituto di Tecnologia di Nagoya, ha usato spettroscopia laser ultraveloce e calcoli teorici per catturare uno stato intermedio fugace in un reticolo metallo-organico (MOF) che si forma e porta a uno stato fotoindotto nascosto in appena 30 femtosecondi. Sì, femtosecondi - un milionesimo di miliardesimo di secondo, per quelli di voi che non sono abituati a misurare il tempo in unità assurde.
La scoperta, pubblicata su Physical Review Letters, offre nuovi indizi su come la luce potrebbe un giorno essere usata per controllare rapidamente le proprietà di materiali avanzati. Perché accontentarsi di riscaldare o raffreddare quando puoi semplicemente colpire le cose con i laser?
I materiali possono comportarsi in modi inaspettati dopo aver assorbito la luce, a volte entrando in stati fotoindotti con proprietà molto diverse da quelle quotidiane. Questi stati forniscono un modo alternativo per modificare il comportamento dei materiali, e capire come si formano è cruciale per sviluppare futuri materiali fotoresponsivi e tecnologie ottiche avanzate. Ma catturare queste trasformazioni è complicato, poiché i primi passi si svolgono su scala temporale dei femtosecondi - più veloce di quanto tu possa dire 'videocamera ad alta velocità'.
Guidato dal Professore Associato Tadahiko Ishikawa del Dipartimento di Chimica di Science Tokyo, il team, incluso l'allora dottorando Samiran Banu (ora Ricercatore Postdottorale Speciale presso RIKEN) e collaboratori dell'Università di Tohoku e dell'Istituto di Tecnologia di Nagoya, si è concentrato su un MOF - un materiale creato collegando ioni metallici con molecole organiche. Il loro obiettivo: determinare esattamente come si sviluppa uno stato nascosto fotoindotto.
"Abbiamo scoperto che lo stato nascosto fotoindotto si forma entro 30 fs attraverso uno stato elettronico intermedio precedentemente sconosciuto," ha detto Ishikawa, presumibilmente mentre sistemava gli occhiali da laboratorio.
Per tracciare la trasformazione, i ricercatori hanno usato spettroscopia di riflettanza risolta nel tempo con impulsi laser ultracorti della durata di soli sei fs. Questo ha permesso loro di misurare come la luce riflessa dal materiale cambiasse quasi immediatamente dopo che il MOF aveva assorbito un impulso laser. Entro 30 fs, lo spettro di riflettanza si è spostato drammaticamente, rivelando una nuova banda di assorbimento ottico - chiari segni che lo stato nascosto si era formato.
Ma gli esperimenti da soli non potevano raccontare l'intera storia. Il team ha combinato le loro misurazioni con calcoli teorici per ricostruire la sequenza degli eventi. Hanno scoperto che immediatamente dopo aver assorbito la luce, il materiale entrava brevemente in uno stato elettronico intermedio in cui i legami elettronici tra siti vicini alternavano tra più forti e più deboli in un motivo ripetuto - un cosiddetto stato di onda di ordine di legame. Questo stato era fugace, seguito da piccoli movimenti atomici che alla fine producevano lo stato nascosto fotoindotto.
Interessante, i calcoli teorici suggeriscono che lo stato appena formato possa essere polare, con cariche positive e negative distribuite in modo non uniforme. Se questi stati polari fotoindotti possono essere creati e controllati in modo affidabile, potrebbero offrire nuovi modi per manipolare le proprietà elettroniche usando la luce.
"Rivelando gli stati intermedi, il nostro metodo potrebbe aiutare a progettare materiali che possono essere controllati efficientemente usando la luce," ha spiegato Ishikawa.
Oltre a spiegare come si sviluppa uno stato nascosto fotoindotto, questa ricerca indica una potenziale strategia per manipolare le proprietà dei materiali con impulsi di luce estremamente brevi. Creare e controllare questi stati temporanei potrebbe portare a nuovi materiali fotoresponsivi per l'elettronica ad alta velocità, dispositivi optoelettronici e altre tecnologie che richiedono un comportamento preciso dei materiali.
La ricerca futura potrebbe applicare lo stesso approccio sperimentale e teorico ad altri materiali, esponendo i passaggi precedentemente invisibili nelle trasformazioni ultraveloci. Gli scienziati potrebbero allora avvicinarsi alla progettazione di materiali le cui proprietà possono essere