일본의 연구진이 눈 깜빡임이 느긋한 산책처럼 보일 정도로 빠른 전자 변환의 사진을 찍는 데 성공했습니다. Science Tokyo, 도호쿠 대학, 나고야 공업대학의 연구진은 초고속 레이저 분광법과 이론 계산을 사용하여 금속-유기 골격체(MOF)에서 형성되어 숨은 광유도 상태로 이어지는 일시적인 중간 상태를 단 30펨토초 만에 포착했습니다. 네, 펨토초입니다. 초의 10억분의 1의 100만분의 1이죠. 시간을 터무니없이 작은 단위로 재는 데 익숙하지 않은 분들을 위해 말씀드립니다.

이 발견은 Physical Review Letters에 게재되었으며, 빛을 사용하여 첨단 재료의 특성을 빠르게 제어할 수 있는 방법에 대한 새로운 단서를 제공합니다. 가열이나 냉각으로 시간을 낭비할 필요 없이 레이저로 물질을 때리면 되니까요.

재료는 빛을 흡수한 후 예상치 못한 방식으로 행동할 수 있으며, 때로는 일상적인 상태와 크게 다른 특성을 가진 광유도 상태로 들어갑니다. 이러한 상태는 재료의 거동을 조정하는 대체 방법을 제공하며, 이러한 상태가 어떻게 형성되는지 이해하는 것은 미래의 광응답성 재료와 첨단 광학 기술을 개발하는 데 중요합니다. 그러나 이러한 변환을 포착하는 것은 까다롭습니다. 첫 단계가 펨토초 시간 척도에서 일어나기 때문입니다. '고속 카메라'라고 말하는 것보다 빠릅니다.

Science Tokyo 화학과의 Tadahiko Ishikawa 조교수가 이끄는 연구팀(당시 박사 과정생이었던 Samiran Banu(현재 RIKEN 특별 박사후 연구원) 및 도호쿠 대학과 나고야 공업대학의 공동 연구자 포함)은 금속 이온과 유기 분자를 연결하여 만든 재료인 MOF에 초점을 맞췄습니다. 그들의 목표는 광유도 숨은 상태가 정확히 어떻게 발생하는지 결정하는 것이었습니다.

"우리는 광유도 숨은 상태가 이전에 알려지지 않은 중간 전자 상태를 통해 30 fs 이내에 형성된다는 것을 발견했습니다."라고 Ishikawa는 말했습니다. 아마도 실험실 고글을 조정하면서.

변환을 추적하기 위해 연구진은 6 fs 동안 지속되는 초단파 레이저 펄스를 사용한 시간 분해 반사 분광법을 사용했습니다. 이를 통해 MOF가 레이저 펄스를 흡수한 직후 재료에서 반사된 빛이 어떻게 변하는지 측정할 수 있었습니다. 30 fs 이내에 반사 스펙트럼이 극적으로 이동하여 새로운 광흡수 밴드가 나타났습니다. 이는 숨은 상태가 형성되었음을 나타내는 명확한 신호입니다.

그러나 실험만으로는 전체 이야기를 알 수 없었습니다. 연구팀은 측정 결과를 이론 계산과 결합하여 사건의 순서를 재구성했습니다. 그들은 빛을 흡수한 직후 재료가 일시적으로 중간 전자 상태에 들어가는데, 이웃한 사이트 사이의 전자 결합이 반복 패턴으로 강해지고 약해지는 소위 결합 차수 파동 상태를 형성한다는 것을 발견했습니다. 이 상태는 잠깐 동안 지속되었고, 그 후 작은 원자 이동이 일어나 궁극적으로 광유도 숨은 상태를 생성했습니다.

흥미롭게도 이론 계산에 따르면 새로 형성된 상태는 양전하와 음전하가 고르지 않게 분포된 극성일 수 있습니다. 이러한 광유도 극성 상태를 안정적으로 생성하고 제어할 수 있다면 빛을 사용하여 전자 특성을 조작하는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.

"중간 상태를 밝힘으로써 우리의 방법은 빛으로 효율적으로 제어할 수 있는 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 Ishikawa는 설명했습니다.

이 연구는 광유도 숨은 상태가 어떻게 발생하는지 설명하는 것 외에도 극도로 짧은 광 펄스로 재료 특성을 조작할 수 있는 잠재적인 전략을 제시합니다. 이러한 일시적인 상태를 생성하고 제어하면 고속 전자 제품, 광전자 장치 및 정밀한 재료 거동이 필요한 기타 기술을 위한 새로운 광응답성 재료로 이어질 수 있습니다.

향후 연구에서는 동일한 실험 및 이론적 접근 방식을 다른 재료에 적용하여 초고속 변환에서 이전에는 보이지 않았던 단계를 드러낼 수 있습니다. 과학자들은 특성을 빛으로 제어할 수 있는 재료를 설계하는 데 더 가까워질 수 있을 것입니다.