Forskare i Japan har lyckats ta en bild av en elektronisk omvandling som sker så snabbt att en blinkning ser ut som en lugn promenad. Teamet, från Science Tokyo, Tohoku University och Nagoya Institute of Technology, använde ultrakort laser-spektroskopi och teoretiska beräkningar för att fånga ett flyktigt mellanliggande tillstånd i en metall-organisk struktur (MOF) som bildas och leder till ett dolt fotoinducerat tillstånd inom bara 30 femtosekunder. Ja, femtosekunder – en miljondel av en miljarddels sekund, för er som inte är vana vid att mäta tid i absurt små enheter.

Upptäckten, publicerad i Physical Review Letters, ger nya ledtrådar om hur ljus en dag skulle kunna användas för att snabbt kontrollera egenskaperna hos avancerade material. För varför bry sig om att värma eller kyla när man bara kan zappa saker med lasrar?

Material kan bete sig på oväntade sätt efter att ha absorberat ljus, ibland hamna i fotoinducerade tillstånd med egenskaper som är helt annorlunda från deras vardagliga jag. Dessa tillstånd ger ett alternativt sätt att justera materialbeteende, och att förstå hur de bildas är avgörande för att utveckla framtida fotoresponsiva material och avancerad optisk teknik. Men att fånga dessa omvandlingar är knepigt, eftersom de första stegen utspelar sig på femtosekund-tidsskalan – snabbare än du kan säga 'höghastighetskamera'.

Ledd av biträdande professor Tadahiko Ishikawa från Institutionen för kemi vid Science Tokyo, inklusive dåvarande doktoranden Samiran Banu (nu specialpostdoktor vid RIKEN) och samarbetspartners från Tohoku University och Nagoya Institute of Technology, fokuserade teamet på en MOF – ett material som skapas genom att koppla samman metalljoner med organiska molekyler. Deras mål: att fastställa exakt hur ett dolt fotoinducerat tillstånd utvecklas.

'Vi fann att det fotoinducerade dolda tillståndet bildas inom 30 fs genom ett tidigare okänt mellanliggande elektroniskt tillstånd', sade Ishikawa, förmodligen medan han justerade sina labbglasögon.

För att spåra omvandlingen använde forskarna tidsupplöst reflektansspektroskopi med ultrakorta laserpulser som varade bara sex fs. Detta gjorde det möjligt för dem att mäta hur ljus som reflekterades av materialet förändrades nästan omedelbart efter att MOF:en absorberade en laserpuls. Inom 30 fs skiftade reflektansspektrat dramatiskt, vilket avslöjade ett nytt optiskt absorptionsband – tydliga tecken på att det dolda tillståndet hade bildats.

Men experiment ensamma kunde inte berätta hela historien. Teamet kombinerade sina mätningar med teoretiska beräkningar för att rekonstruera händelseförloppet. De fann att omedelbart efter att ha absorberat ljus, gick materialet kortvarigt in i ett mellanliggande elektroniskt tillstånd där elektroniska bindningar mellan närliggande platser alternerade mellan starkare och svagare i ett upprepat mönster – ett så kallat bindningsordningsvågstillstånd. Detta tillstånd var flyktigt, följt av små atomära rörelser som slutligen producerade det fotoinducerade dolda tillståndet.

Intressant nog tyder teoretiska beräkningar på att det nybildade tillståndet kan vara polärt, med positiva och negativa laddningar ojämnt fördelade. Om dessa fotoinducerade polära tillstånd kan skapas och kontrolleras på ett tillförlitligt sätt, skulle de kunna erbjuda nya sätt att manipulera elektroniska egenskaper med hjälp av ljus.

'Genom att avslöja mellanliggande tillstånd kan vår metod hjälpa till att designa material som effektivt kan kontrolleras med ljus', förklarade Ishikawa.

Utöver att förklara hur ett dolt fotoinducerat tillstånd utvecklas, pekar denna forskning på en potentiell strategi för att manipulera materialegenskaper med extremt korta ljuspulser. Att skapa och kontrollera dessa tillfälliga tillstånd skulle kunna leda till nya fotoresponsiva material för höghastighetselektronik, optoelektroniska enheter och andra teknologier som kräver exakt materialbeteende.

Framtida forskning skulle kunna tillämpa samma experimentella och teoretiska metod på andra material, och exponera de tidigare osynliga stegen i ultravåta omvandlingar. Forskare skulle då kunna komma närmare att designa material vars egenskaper kan