Pesquisadores no Japão conseguiram tirar uma foto de uma transformação eletrônica tão rápida que faz um piscar de olhos parecer um passeio tranquilo. A equipe, vinda da Science Tokyo, Universidade de Tohoku e Instituto de Tecnologia de Nagoya, usou espectroscopia laser ultrarrápida e cálculos teóricos para capturar um estado intermediário fugaz em uma estrutura metal-orgânica (MOF) que se forma e leva a um estado fotoinduzido oculto em apenas 30 femtossegundos. Sim, femtossegundos - um milionésimo de bilionésimo de segundo, para aqueles que não estão acostumados a medir o tempo em unidades absurdamente pequenas.
A descoberta, publicada na Physical Review Letters, oferece novas pistas sobre como a luz poderia um dia ser usada para controlar rapidamente as propriedades de materiais avançados. Porque por que se preocupar em aquecer ou resfriar quando você pode simplesmente zappar as coisas com lasers?
Materiais podem se comportar de maneiras inesperadas após absorver luz, às vezes entrando em estados fotoinduzidos com propriedades muito diferentes das suas versões cotidianas. Esses estados fornecem uma maneira alternativa de ajustar o comportamento do material, e entender como eles se formam é crucial para desenvolver futuros materiais fotorresponsivos e tecnologias ópticas avançadas. Mas capturar essas transformações é complicado, pois os primeiros passos se desenrolam na escala de tempo de femtossegundos - mais rápido do que você consegue dizer 'câmera de alta velocidade'.
Liderado pelo Professor Assistente Tadahiko Ishikawa do Departamento de Química da Science Tokyo, a equipe, incluindo o então estudante de doutorado Samiran Banu (agora Pesquisador de Pós-Doutorado Especial na RIKEN) e colaboradores da Universidade de Tohoku e do Instituto de Tecnologia de Nagoya, focou em uma MOF - um material feito conectando íons metálicos com moléculas orgânicas. Seu objetivo: determinar exatamente como um estado oculto fotoinduzido se desenvolve.
"Descobrimos que o estado oculto fotoinduzido se forma dentro de 30 fs através de um estado eletrônico intermediário anteriormente desconhecido", disse Ishikawa, presumivelmente enquanto ajustava seus óculos de laboratório.
Para rastrear a transformação, os pesquisadores usaram espectroscopia de refletância resolvida no tempo com pulsos de laser ultracurtos com duração de apenas seis fs. Isso permitiu que eles medissem como a luz refletida pelo material mudava quase imediatamente após a MOF absorver um pulso de laser. Dentro de 30 fs, o espectro de refletância mudou drasticamente, revelando uma nova banda de absorção óptica - sinais claros de que o estado oculto havia se formado.
Mas os experimentos sozinhos não podiam contar a história completa. A equipe combinou suas medições com cálculos teóricos para reconstruir a sequência de eventos. Eles descobriram que imediatamente após absorver luz, o material entrou brevemente em um estado eletrônico intermediário onde as ligações eletrônicas entre sítios vizinhos alternavam entre mais fortes e mais fracas em um padrão repetitivo - um chamado estado de onda de ordem de ligação. Esse estado era fugaz, seguido por pequenos movimentos atômicos que finalmente produziram o estado oculto fotoinduzido.
Curiosamente, os cálculos teóricos sugerem que o estado recém-formado pode ser polar, com cargas positivas e negativas distribuídas de forma desigual. Se esses estados polares fotoinduzidos puderem ser criados e controlados de forma confiável, eles poderiam oferecer novas maneiras de manipular propriedades eletrônicas usando luz.
"Ao revelar estados intermediários, nosso método poderia ajudar a projetar materiais que possam ser eficientemente controlados usando luz", explicou Ishikawa.
Além de explicar como um estado oculto fotoinduzido se desenvolve, esta pesquisa aponta para uma estratégia potencial para manipular propriedades de materiais com pulsos de luz extremamente curtos. Criar e controlar esses estados temporários poderia levar a novos materiais fotorresponsivos para eletrônicos de alta velocidade, dispositivos optoeletrônicos e outras tecnologias que exigem comportamento preciso do material.
Pesquisas futuras poderiam aplicar a mesma abordagem experimental e teórica a outros materiais, expondo os passos anteriormente invisíveis em transformações ultrarrápidas. Os cientistas podem então chegar mais perto de projetar materiais cujas propriedades possam ser