Naukowcy w Japonii zdołali zrobić zdjęcie transformacji elektronicznej tak szybkiej, że mrugnięcie okiem przy niej to jak spacer w niedzielę. Zespół z Science Tokyo, Uniwersytetu Tohoku i Instytutu Technologii w Nagoi użył ultraszybkiej spektroskopii laserowej i obliczeń teoretycznych, aby uchwycić ulotny stan pośredni w szkielecie metalo-organicznym (MOF), który tworzy się i prowadzi do ukrytego stanu fotoindukowanego w ciągu zaledwie 30 femtosekund. Tak, femtosekund – czyli jednej milionowej jednej miliardowej sekundy, dla tych, którzy nie mają w zwyczaju mierzyć czasu w absurdalnie małych jednostkach.
Odkrycie, opublikowane w Physical Review Letters, dostarcza nowych wskazówek na temat tego, jak światło mogłoby kiedyś być używane do szybkiego kontrolowania właściwości zaawansowanych materiałów. Bo po co zawracać sobie głowę ogrzewaniem czy chłodzeniem, skoro można po prostu postrzelać w coś laserem?
Materiały mogą zachowywać się w nieoczekiwany sposób po pochłonięciu światła, czasami wchodząc w stany fotoindukowane o właściwościach znacznie różniących się od ich codziennych wcieleń. Te stany stanowią alternatywny sposób modyfikowania zachowania materiałów, a zrozumienie, jak powstają, jest kluczowe dla opracowania przyszłych materiałów światłoczułych i zaawansowanych technologii optycznych. Jednak uchwycenie tych transformacji jest trudne, ponieważ pierwsze kroki rozgrywają się w skali femtosekundowej – szybciej, niż zdążysz powiedzieć 'kamera szybka'.
Kierowany przez adiunkta Tadahiko Ishikawę z Katedry Chemii na Science Tokyo, zespół – w skład którego wchodzili ówczesny doktorant Samiran Banu (obecnie specjalny pracownik podoktorancki w RIKEN) oraz współpracownicy z Uniwersytetu Tohoku i Instytutu Technologii w Nagoi – skupił się na MOF, czyli materiale powstałym przez połączenie jonów metali z cząsteczkami organicznymi. Ich cel: ustalić dokładnie, jak rozwija się fotoindukowany stan ukryty.
„Odkryliśmy, że fotoindukowany stan ukryty tworzy się w ciągu 30 fs poprzez wcześniej nieznany pośredni stan elektronowy” – powiedział Ishikawa, zapewne poprawiając przy tym okulary laboratoryjne.
Aby śledzić transformację, naukowcy użyli czasowo-rozdzielczej spektroskopii odbiciowej z ultraszybkimi impulsami laserowymi trwającymi zaledwie sześć fs. Pozwoliło im to zmierzyć, jak światło odbite od materiału zmienia się niemal natychmiast po pochłonięciu impulsu laserowego przez MOF. W ciągu 30 fs widmo odbicia przesunęło się dramatycznie, ujawniając nowe pasmo absorpcji optycznej – wyraźne oznaki, że stan ukryty się uformował.
Ale same eksperymenty nie mogły opowiedzieć całej historii. Zespół połączył swoje pomiary z obliczeniami teoretycznymi, aby zrekonstruować sekwencję zdarzeń. Odkryli, że natychmiast po pochłonięciu światła materiał krótko wchodzi w pośredni stan elektronowy, w którym wiązania elektronowe między sąsiednimi miejscami naprzemiennie stają się silniejsze i słabsze w powtarzającym się wzorze – tak zwany stan fali uporządkowania wiązań. Ten stan był ulotny, po czym nastąpiły niewielkie ruchy atomów, które ostatecznie doprowadziły do fotoindukowanego stanu ukrytego.
Co ciekawe, obliczenia teoretyczne sugerują, że nowo powstały stan może być polarny, z ładunkami dodatnimi i ujemnymi nierównomiernie rozłożonymi. Jeśli te fotoindukowane stany polarne można będzie niezawodnie tworzyć i kontrolować, mogą one oferować nowe sposoby manipulowania właściwościami elektronowymi za pomocą światła.
„Ujawniając stany pośrednie, nasza metoda może pomóc w projektowaniu materiałów, które można skutecznie kontrolować za pomocą światła” – wyjaśnił Ishikawa.
Poza wyjaśnieniem, jak rozwija się fotoindukowany stan ukryty, badania te wskazują na potencjalną strategię manipulowania właściwościami materiałów za pomocą niezwykle krótkich impulsów światła. Tworzenie i kontrolowanie tych tymczasowych stanów może prowadzić do powstania nowych materiałów światłoczułych do szybkiej elektroniki, urządzeń optoelektronicznych i innych technologii wymagających precyzyjnego zachowania materiałów.
Przyszłe badania mogą zastosować to samo podejście eksperymentalne i teoretyczne do innych materiałów, ujawniając wcześniej niewidoczne kroki w ultraszybkich transformacjach. Naukowcy mogą wtedy zbliżyć się do projektowania materiałów, których właściwości można