日本の研究者たちが、まばたきさえも優雅な散歩に見えるほど速い電子変態の写真を撮ることに成功した。Science Tokyo、東北大学、名古屋工業大学のチームは、超高速レーザー分光法と理論計算を用いて、金属有機構造体（MOF）に形成され、わずか30フェムト秒以内に隠れた光誘起状態へと導く、つかの間の中間状態を捉えた。そう、フェムト秒だ。1フェムト秒は1000兆分の1秒。時間を途方もなく小さな単位で測る習慣がない人には、そんなものはどうでもいい話だろう。

この発見は『Physical Review Letters』に掲載され、光を使って先端材料の特性を迅速に制御する方法についての新たな手がかりを提供する。加熱や冷却で済むのに、わざわざレーザーで照射するのはなぜかって？それは、材料が光を吸収した後、予期せぬ振る舞いをすることがあり、時には日常とは大きく異なる特性を持つ光誘起状態に入ることがあるからだ。これらの状態は材料の挙動を微調整する代替手段を提供し、その形成メカニズムを理解することは、将来の光応答性材料や高度な光学技術の開発に不可欠である。しかし、これらの変態を捉えるのは難しい。最初のステップはフェムト秒の時間スケールで展開されるからだ。それは「ハイスピードカメラ」と言うよりも速い。

Science Tokyoの化学科の助教である石川忠彦氏（当時博士課程の学生だったサミラン・バヌ氏（現在は理化学研究所の特別研究員）と東北大学と名古屋工業大学の共同研究者と共に）が率いるチームは、金属イオンと有機分子を結合させて作られる材料であるMOFに焦点を当てた。彼らの目標は、光誘起された隠れた状態がどのように発達するかを正確に特定することだった。

「光誘起された隠れた状態は、これまで知られていなかった中間電子状態を経て、30フェムト秒以内に形成されることを発見しました」と石川氏は、おそらく実験用ゴーグルを調整しながら語った。

変態を追跡するために、研究者らは6フェムト秒しか続かない超短パルスレーザーを用いた時間分解反射率分光法を使用した。これにより、MOFがレーザーパルスを吸収した直後に、材料から反射される光がどのように変化するかを測定できた。30フェムト秒以内に、反射スペクトルは劇的に変化し、新しい光吸収帯が現れた。これは隠れた状態が形成された明確な兆候である。

しかし、実験だけでは全容を解明できなかった。チームは測定結果と理論計算を組み合わせて、一連のイベントを再構築した。その結果、光を吸収した直後、材料は一時的に中間電子状態に入り、隣接するサイト間の電子結合が強い状態と弱い状態を繰り返すパターン（結合秩序波状態）を示すことがわかった。この状態はつかの間であり、その後、小さな原子の動きが続き、最終的に光誘起された隠れた状態を生成した。

興味深いことに、理論計算によると、新しく形成された状態は極性を持つ可能性があり、正電荷と負電荷が不均一に分布している。これらの光誘起された極性状態を確実に生成・制御できれば、光を使って電子特性を操作する新しい方法が提供されるかもしれない。

「中間状態を明らかにすることで、私たちの方法は、光を使って効率的に制御できる材料の設計に役立つ可能性があります」と石川氏は説明した。

光誘起された隠れた状態がどのように発達するかを説明するだけでなく、この研究は、非常に短い光パルスで材料特性を操作する潜在的な戦略を指し示している。これらの一時的な状態を作り出し制御することで、高速エレクトロニクス、オプトエレクトロニクスデバイス、および正確な材料挙動を必要とするその他の技術向けの新しい光応答性材料につながる可能性がある。

将来の研究では、同じ実験的および理論的アプローチを他の材料に適用し、超高速変態におけるこれまで見えなかったステップを明らかにすることができる。科学者たちは、特性を光で直接操作できる材料の設計に近づくかもしれない。