Japonya'daki araştırmacılar, bir göz kırpmasını keyifli bir yürüyüş gibi gösteren bir elektronik dönüşümün fotoğrafını çekmeyi başardılar. Science Tokyo, Tohoku Üniversitesi ve Nagoya Teknoloji Enstitüsü'nden ekip, ultra hızlı lazer spektroskopisi ve teorik hesaplamalar kullanarak, bir metal-organik çerçevede (MOF) oluşan ve sadece 30 femtosaniye içinde gizli bir fotoindüklenmiş duruma yol açan geçici bir ara durumu yakaladı. Evet, femtosaniye - saniyenin milyarda birinin milyonda biri, zamanı absürt derecede küçük birimlerle ölçme alışkanlığı olmayanlar için söylüyoruz.
Physical Review Letters'da yayınlanan keşif, ışığın bir gün gelişmiş malzemelerin özelliklerini hızla kontrol etmek için nasıl kullanılabileceğine dair yeni ipuçları sunuyor. Çünkü ısıtma veya soğutma ile uğraşmak yerine neden lazerle bir şeyleri patlatmıyorsunuz?
Malzemeler ışık emdikten sonra beklenmedik şekillerde davranabilir, bazen günlük hallerinden çok farklı özelliklere sahip fotoindüklenmiş durumlara girebilirler. Bu durumlar, malzeme davranışını ayarlamak için alternatif bir yol sağlar ve bunların nasıl oluştuğunu anlamak, gelecekteki fotoduyarlı malzemeler ve gelişmiş optik teknolojiler geliştirmek için çok önemlidir. Ancak bu dönüşümleri yakalamak zordur, çünkü ilk adımlar femtosaniye zaman ölçeğinde gerçekleşir - 'yüksek hızlı kamera' demekten daha hızlı.
Science Tokyo Kimya Bölümü'nden Doçent Tadahiko Ishikawa liderliğindeki ekip, o zamanki doktora öğrencisi Samiran Banu (şimdi RIKEN'de Özel Doktora Sonrası Araştırmacı) ve Tohoku Üniversitesi ile Nagoya Teknoloji Enstitüsü'nden işbirlikçiler dahil, metal iyonlarını organik moleküllerle bağlayarak yapılan bir MOF'a odaklandı. Amaçları: fotoindüklenmiş gizli bir durumun tam olarak nasıl geliştiğini belirlemek.
"Fotoindüklenmiş gizli durumun, daha önce bilinmeyen bir ara elektronik durum aracılığıyla 30 fs içinde oluştuğunu bulduk," dedi Ishikawa, muhtemelen laboratuvar gözlüklerini ayarlarken.
Dönüşümü izlemek için araştırmacılar, yalnızca altı fs süren ultra kısa lazer darbeleriyle zaman çözümlü yansıma spektroskopisi kullandılar. Bu, MOF bir lazer darbesi emdikten hemen sonra malzemeden yansıyan ışığın nasıl değiştiğini ölçmelerini sağladı. 30 fs içinde, yansıma spektrumu çarpıcı biçimde değişti ve yeni bir optik absorpsiyon bandı ortaya çıkardı - gizli durumun oluştuğuna dair net işaretler.
Ancak deneyler tek başına tüm hikayeyi anlatamazdı. Ekip, ölçümlerini teorik hesaplamalarla birleştirerek olayların sırasını yeniden yapılandırdı. Işığı emdikten hemen sonra malzemenin kısaca bir ara elektronik duruma girdiğini buldular; burada komşu bölgeler arasındaki elektronik bağlar tekrarlayan bir desende daha güçlü ve daha zayıf arasında değişiyordu - sözde bir bağ düzeni dalga durumu. Bu durum kısa sürdü, ardından sonunda fotoindüklenmiş gizli durumu üreten küçük atomik hareketler geldi.
İlginç bir şekilde, teorik hesaplamalar yeni oluşan durumun polar olabileceğini, pozitif ve negatif yüklerin eşit olmayan şekilde dağıldığını gösteriyor. Bu fotoindüklenmiş polar durumlar güvenilir bir şekilde oluşturulabilir ve kontrol edilebilirse, elektronik özellikleri ışık kullanarak manipüle etmenin yeni yollarını sunabilirler.
"Ara durumları ortaya çıkararak, yöntemimiz ışıkla verimli bir şekilde kontrol edilebilen malzemeler tasarlamaya yardımcı olabilir," diye açıkladı Ishikawa.
Bu araştırma, fotoindüklenmiş gizli bir durumun nasıl geliştiğini açıklamanın ötesinde, son derece kısa ışık darbeleriyle malzeme özelliklerini manipüle etmek için potansiyel bir stratejiye işaret ediyor. Bu geçici durumları yaratmak ve kontrol etmek, yüksek hızlı elektronik, optoelektronik cihazlar ve hassas malzeme davranışı gerektiren diğer teknolojiler için yeni fotoduyarlı malzemelere yol açabilir.
Gelecekteki araştırmalar, aynı deneysel ve teorik yaklaşımı diğer malzemelere uygulayarak ultra hızlı dönüşümlerdeki daha önce görünmeyen adımları ortaya çıkarabilir. Bilim insanları, özellikleri ışıkla hassas bir şekilde kontrol edilebilen malzemeler tasarlamaya daha da yaklaşabilirler.