Исследователи в Японии сумели запечатлеть электронное превращение, происходящее так быстро, что моргание глаза выглядит как неторопливая прогулка. Команда из Science Tokyo, Университета Тохоку и Технологического института Нагои использовала сверхбыструю лазерную спектроскопию и теоретические расчеты, чтобы поймать мимолетное промежуточное состояние в металлоорганическом каркасе (MOF), которое формируется и приводит к скрытому фотоиндуцированному состоянию всего за 30 фемтосекунд. Да, фемтосекунды - миллионная доля миллиардной доли секунды, для тех, кто не привык измерять время в абсурдно малых единицах.

Открытие, опубликованное в Physical Review Letters, дает новые подсказки о том, как свет однажды можно будет использовать для быстрого управления свойствами современных материалов. Потому что зачем возиться с нагревом или охлаждением, если можно просто облучать материалы лазером?

Материалы могут вести себя неожиданным образом после поглощения света, иногда переходя в фотоиндуцированные состояния со свойствами, сильно отличающимися от их повседневных. Эти состояния предоставляют альтернативный способ изменения поведения материала, и понимание того, как они формируются, имеет решающее значение для разработки будущих фотореактивных материалов и передовых оптических технологий. Но запечатлеть эти превращения сложно, так как первые шаги разворачиваются во временном масштабе фемтосекунд - быстрее, чем вы успеете произнести «высокоскоростная камера».

Под руководством доцента Тадахико Исикавы с кафедры химии Science Tokyo, команда, включая тогдашнего аспиранта Самирана Бану (ныне специального постдокторанта в RIKEN) и сотрудников из Университета Тохоку и Технологического института Нагои, сосредоточилась на MOF - материале, созданном путем соединения ионов металлов с органическими молекулами. Их цель: точно определить, как развивается скрытое фотоиндуцированное состояние.

«Мы обнаружили, что скрытое фотоиндуцированное состояние формируется в течение 30 фс через ранее неизвестное промежуточное электронное состояние», - сказал Исикава, предположительно, поправляя лабораторные очки.

Чтобы проследить за превращением, исследователи использовали спектроскопию отражения с временным разрешением с помощью ультракоротких лазерных импульсов длительностью всего шесть фс. Это позволило им измерить, как свет, отраженный материалом, меняется почти сразу после поглощения MOF лазерного импульса. В течение 30 фс спектр отражения резко сместился, выявив новую полосу оптического поглощения - явные признаки того, что скрытое состояние сформировалось.

Но одних экспериментов было недостаточно, чтобы рассказать всю историю. Команда объединила свои измерения с теоретическими расчетами, чтобы реконструировать последовательность событий. Они обнаружили, что сразу после поглощения света материал ненадолго входит в промежуточное электронное состояние, в котором электронные связи между соседними узлами чередуются между более сильными и более слабыми в повторяющемся паттерне - так называемое состояние волны зарядового порядка. Это состояние было мимолетным, за ним следовали небольшие атомные движения, которые в конечном итоге приводили к скрытому фотоиндуцированному состоянию.

Интересно, что теоретические расчеты предполагают, что новообразованное состояние может быть полярным, с неравномерным распределением положительных и отрицательных зарядов. Если эти фотоиндуцированные полярные состояния можно будет надежно создавать и контролировать, они могут предложить новые способы управления электронными свойствами с помощью света.

«Раскрывая промежуточные состояния, наш метод может помочь в разработке материалов, которыми можно эффективно управлять с помощью света», - объяснил Исикава.

Помимо объяснения того, как развивается скрытое фотоиндуцированное состояние, это исследование указывает на потенциальную стратегию манипулирования свойствами материалов с помощью чрезвычайно коротких световых импульсов. Создание и контроль этих временных состояний может привести к созданию новых фотореактивных материалов для высокоскоростной электроники, оптоэлектронных устройств и других технологий, требующих точного поведения материалов.

Будущие исследования могут применить тот же экспериментальный и теоретический подход к другим материалам, выявляя ранее невидимые шаги в сверхбыстрых превращениях. Тогда ученые смогут приблизиться к созданию материалов, свойства которых можно будет