Cercetătorii din Japonia au reușit să surprindă o transformare electronică atât de rapidă încât face ca o clipire din ochi să pară o plimbare lejeră. Echipa, formată din cercetători de la Science Tokyo, Universitatea Tohoku și Institutul de Tehnologie din Nagoya, a folosit spectroscopie laser ultrafastă și calcule teoretice pentru a surprinde o stare intermediară efemeră într-o structură metalo-organică (MOF) care se formează și duce la o stare fotoindusă ascunsă în doar 30 de femtosecunde. Da, femtosecunde – o milionime dintr-o miliardime de secundă, pentru cei care nu sunt obișnuiți să măsoare timpul în unități absurd de mici.
Descoperirea, publicată în Physical Review Letters, oferă noi indicii despre cum lumina ar putea fi folosită într-o zi pentru a controla rapid proprietățile materialelor avansate. Pentru că de ce să te complici cu încălzirea sau răcirea când poți pur și simplu să zăpești lucrurile cu lasere?
Materialele se pot comporta în moduri neașteptate după absorbția luminii, uneori intrând în stări fotoinduse cu proprietăți foarte diferite de cele obișnuite. Aceste stări oferă o modalitate alternativă de a modifica comportamentul materialelor, iar înțelegerea modului în care se formează este crucială pentru dezvoltarea viitoarelor materiale fotoreceptive și a tehnologiilor optice avansate. Dar captarea acestor transformări este dificilă, deoarece primii pași se desfășoară pe scara de timp a femtosecundelor – mai rapid decât ai putea spune „cameră de mare viteză”.
Condusă de profesorul asistent Tadahiko Ishikawa de la Departamentul de Chimie de la Science Tokyo, echipa, incluzându-l pe doctorandul de atunci Samiran Banu (acum cercetător postdoctoral special la RIKEN) și colaboratori de la Universitatea Tohoku și Institutul de Tehnologie din Nagoya, s-a concentrat pe un MOF – un material realizat prin conectarea ionilor metalici cu molecule organice. Scopul lor: să determine exact cum se dezvoltă o stare ascunsă fotoindusă.
„Am descoperit că starea ascunsă fotoindusă se formează în 30 fs printr-o stare electronică intermediară necunoscută anterior”, a spus Ishikawa, probabil în timp ce își ajusta ochelarii de laborator.
Pentru a urmări transformarea, cercetătorii au folosit spectroscopie de reflectanță rezolvată în timp cu impulsuri laser ultrascurte de doar șase fs. Acest lucru le-a permis să măsoare cum se schimbă lumina reflectată de material aproape imediat după ce MOF-ul a absorbit un impuls laser. În 30 fs, spectrul de reflectanță s-a schimbat dramatic, dezvăluind o nouă bandă de absorbție optică – semne clare că starea ascunsă se formase.
Dar experimentele singure nu puteau spune întreaga poveste. Echipa și-a combinat măsurătorile cu calcule teoretice pentru a reconstrui succesiunea evenimentelor. Au descoperit că imediat după absorbția luminii, materialul a intrat pe scurt într-o stare electronică intermediară în care legăturile electronice între site-urile vecine alternau între mai puternice și mai slabe într-un model repetitiv – așa-numita stare de undă de ordin al legăturii. Această stare a fost efemeră, urmată de mici mișcări atomice care au produs în cele din urmă starea ascunsă fotoindusă.
Interesant, calculele teoretice sugerează că starea nou formată poate fi polară, cu sarcini pozitive și negative distribuite neuniform. Dacă aceste stări polare fotoinduse pot fi create și controlate în mod fiabil, ele ar putea oferi noi modalități de a manipula proprietățile electronice folosind lumina.
„Prin dezvăluirea stărilor intermediare, metoda noastră ar putea ajuta la proiectarea materialelor care pot fi controlate eficient folosind lumina”, a explicat Ishikawa.
Dincolo de explicarea modului în care se dezvoltă o stare ascunsă fotoindusă, această cercetare indică o strategie potențială pentru manipularea proprietăților materialelor cu impulsuri de lumină extrem de scurte. Crearea și controlul acestor stări temporare ar putea duce la noi materiale fotoreceptive pentru electronică de mare viteză, dispozitive optoelectronice și alte tehnologii care necesită un comportament precis al materialelor.
Cercetările viitoare ar putea aplica aceeași abordare experimentală și teoretică altor materiale, expunând pașii anterior invizibili în transformările ultrafaste. Oamenii de știință s-ar putea apropia apoi de proiectarea materialelor ale căror proprietăți pot fi