Onderzoekers in Japan zijn erin geslaagd een foto te maken van een elektronische transformatie die zo snel gaat dat een oogwenk erbij vergeleken een ontspannen wandeling lijkt. Het team, afkomstig van Science Tokyo, Tohoku University en Nagoya Institute of Technology, gebruikte ultrasnelle laserspectroscopie en theoretische berekeningen om een vluchtige tussenstoestand in een metaal-organisch raamwerk (MOF) vast te leggen die zich vormt en leidt tot een verborgen foto-geïnduceerde toestand binnen slechts 30 femtoseconden. Ja, femtoseconden - een miljoenste van een miljardste van een seconde, voor degenen die niet gewend zijn tijd te meten in absurd kleine eenheden.
De ontdekking, gepubliceerd in Physical Review Letters, biedt nieuwe aanwijzingen over hoe licht op een dag zou kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van geavanceerde materialen snel te controleren. Want waarom zou je moeite doen met verwarmen of koelen als je gewoon dingen kunt beschieten met lasers?
Materialen kunnen zich onverwacht gedragen na het absorberen van licht, soms in foto-geïnduceerde toestanden met eigenschappen die sterk verschillen van hun alledaagse zelf. Deze toestanden bieden een alternatieve manier om materiaalgedrag te verfijnen, en het begrijpen van hoe ze ontstaan is cruciaal voor het ontwikkelen van toekomstige fotoresponsieve materialen en geavanceerde optische technologieën. Maar het vastleggen van deze transformaties is lastig, omdat de eerste stappen zich afspelen op de femtoseconde-tijdschaal - sneller dan je 'hogesnelheidscamera' kunt zeggen.
Onder leiding van assistent-professor Tadahiko Ishikawa van de afdeling Scheikunde aan Science Tokyo, richtte het team, waaronder toenmalig promovendus Samiran Banu (nu speciaal postdoctoraal onderzoeker bij RIKEN) en medewerkers van Tohoku University en Nagoya Institute of Technology, zich op een MOF - een materiaal gemaakt door metaalionen te verbinden met organische moleculen. Hun doel: precies bepalen hoe een foto-geïnduceerde verborgen toestand zich ontwikkelt.
"We ontdekten dat de foto-geïnduceerde verborgen toestand zich binnen 30 fs vormt via een voorheen onbekende tussenliggende elektronische toestand," zei Ishikawa, vermoedelijk terwijl hij zijn labbril afstelde.
Om de transformatie te volgen, gebruikten de onderzoekers tijdopgeloste reflectiespectroscopie met ultrasnelle laserpulsen die slechts zes fs duren. Dit stelde hen in staat te meten hoe licht dat door het materiaal wordt gereflecteerd verandert bijna onmiddellijk nadat de MOF een laserpuls absorbeert. Binnen 30 fs verschoof het reflectiespectrum dramatisch, waardoor een nieuwe optische absorptieband zichtbaar werd - duidelijke tekenen dat de verborgen toestand was gevormd.
Maar experimenten alleen konden niet het hele verhaal vertellen. Het team combineerde hun metingen met theoretische berekeningen om de volgorde van gebeurtenissen te reconstrueren. Ze ontdekten dat direct na het absorberen van licht, het materiaal kort in een tussenliggende elektronische toestand kwam waarin elektronische bindingen tussen naburige plaatsen afwisselend sterker en zwakker werden in een zich herhalend patroon - een zogenaamde bindingsorde-golftoestand. Deze toestand was vluchtig, gevolgd door kleine atomaire bewegingen die uiteindelijk de foto-geïnduceerde verborgen toestand produceerden.
Interessant is dat theoretische berekeningen suggereren dat de nieuw gevormde toestand polair kan zijn, met positieve en negatieve ladingen ongelijk verdeeld. Als deze foto-geïnduceerde polaire toestanden betrouwbaar kunnen worden gecreëerd en gecontroleerd, zouden ze nieuwe manieren kunnen bieden om elektronische eigenschappen met licht te manipuleren.
"Door tussenliggende toestanden te onthullen, zou onze methode kunnen helpen bij het ontwerpen van materialen die efficiënt met licht kunnen worden gecontroleerd," legde Ishikawa uit.
Naast het verklaren hoe een foto-geïnduceerde verborgen toestand zich ontwikkelt, wijst dit onderzoek op een mogelijke strategie voor het manipuleren van materiaaleigenschappen met extreem korte lichtpulsen. Het creëren en controleren van deze tijdelijke toestanden zou kunnen leiden tot nieuwe fotoresponsieve materialen voor hogesnelheidselektronica, opto-elektronische apparaten en andere technologieën die nauwkeurig materiaalgedrag vereisen.
Toekomstig onderzoek zou dezelfde experimentele en theoretische benadering kunnen toepassen op andere materialen, waardoor de voorheen onzichtbare stappen in ultrasnelle transformaties worden blootgelegd. Wetenschappers zouden dan dichter bij het ontwerpen van materialen kunnen komen waarvan de eigenschappen kunnen