Vědci zachytili skrytý elektronický stav vznikající za pouhých 30 femtosekund

Foto: Assistant Professor Tadahiko Ishikawa

Objev nové cesty k materiálům ovládaným světlem

Vědci sledovali, jak se uvnitř materiálu vytvořil světlem vyvolaný skrytý stav za pouhých 30 femtosekund, což odhalilo krok, který dosud nebyl nikdy pozorován. Materiál nejprve vstoupil do prchavého elektronického stavu, ve kterém se jeho vazby přeskupily do opakujícího se vzoru, následovaly drobné atomové posuny. Tato ultrarychlá cesta by mohla nabídnout nový způsob, jak ovládat elektronické vlastnosti světlem a pomoci inspirovat rychlejší a citlivější technologie.

Autor původního článku: redakce

Rychlá elektronická transformace

Vědci v Japonsku zachytili mimořádně rychlou elektronickou transformaci uvnitř kovově-organického rámce, pozorovali prchavý stav a následný skrytý stav během pouhých 30 femtosekund. Tým z Science Tokyo, Tohoku University a Nagoya Institute of Technology kombinoval ultrarychlou laserovou spektroskopii s teoretickými výpočty, aby odhalil dosud neznámý mezistav elektronů, který pomáhá řídit transformaci. Tento objev nabízí nové vodítka o tom, jak by světlo mohlo být nakonec použito k rychlému ovládání vlastností pokročilých materiálů.

Význam světlem vyvolaných stavů

Materiály se mohou chovat neočekávaně po absorpci světla. V některých případech je světlo posune do světlem vyvolaných stavů s vlastnostmi, které jsou velmi odlišné od těch, které vykazují za běžných podmínek. Tyto stavy dávají vědcům další způsob, jak měnit chování materiálů nad rámec konvenčních přístupů, jako je zahřívání nebo chlazení. Zjištění, jak přesně se tvoří, by mohlo být důležité pro vývoj budoucích fotoreaktivních materiálů a pokročilých optických technologií.

Zachycení transformace ve femtosekundách

Jednou z největších výzev je rychlost. První kroky při tvorbě světlem vyvolaného stavu se mohou odehrávat na časové škále femtosekund (fs) (miliontina miliardtiny sekundy), což je činí mimořádně obtížnými k pozorování. Aby prozkoumali tyto nejranější okamžiky, tým vedený asistentem profesora Tadahiko Ishikawou z Katedry chemie, School of Science, Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japonsko, spolupracoval s tehdejším doktorandem Samiranem Banem (nyní zvláštním postdoktorandským výzkumníkem v RIKEN) a spolupracovníky na Tohoku University a Nagoya Institute of Technology, Japonsko.

Výzkumníci se zaměřili na kovově-organický rámec (MOF), materiál vytvořený spojením kovových iontů s organickými molekulami. Jejich cílem bylo přesně určit, jak se vyvíjí světlem vyvolaný skrytý stav. Zjištění byla publikována v časopise Physical Review Letters. „Zjistili jsme, že světlem vyvolaný skrytý stav se tvoří během 30 fs prostřednictvím dosud neznámého mezistavu elektronů,“ říká Ishikawa.

Ultrarychlé lasery odhalují skrytý stav

Aby sledovali transformaci, vědci použili časově rozlišenou reflektometrickou spektroskopii a ultrakrátké laserové pulzy trvající pouze šest fs. Metoda jim umožnila měřit, jak se světlo odražené materiálem změnilo téměř okamžitě poté, co MOF absorboval laserový puls. S touto extrémně jemnou časovou rozlišeností tým sledoval rychlé změny v elektronickém chování materiálu. Během 30 fs se jeho reflektometrické spektrum dramaticky posunulo a vyvinuly se rysy spojené s výskytem nového optického absorpčního pásma. Tyto změny naznačovaly, že se vytvořil světlem vyvolaný skrytý stav.

Samotné experimenty však nemohly plně vysvětlit, co se děje. Vědci proto zkombinovali svá měření s teoretickými výpočty, aby zrekonstruovali sled událostí uvnitř materiálu.

Prchavý elektronický stav jako první

Analýza ukázala, že ihned po absorpci světla materiál krátce vstoupil do mezistavu elektronů. Během tohoto okamžiku elektronické vazby mezi sousedními místy střídaly mezi silnějšími a slabšími v opakujícím se vzoru. Tato konfigurace je známa jako stav vlny vazebního řádu. Stav existoval pouze krátce. Následovaly malé pohyby v pozicích atomů uvnitř materiálu a tyto strukturální změny nakonec vedly k vytvoření světlem vyvolaného skrytého stavu. Teoretické výpočty také naznačily, že nově vytvořený stav může být polarizovaný. V takovém stavu jsou kladné a záporné elektrické náboje nerovnoměrně rozloženy po materiálu. Pokud lze tyto světlem vyvolané polarizované stavy spolehlivě vytvořit a ovládat, mohly by poskytnout nové způsoby manipulace elektronických vlastností pomocí světla.

„Odhalením mezistavů by naše metoda mohla pomoci navrhnout materiály, které lze efektivně ovládat pomocí světla,“ vysvětluje Ishikawa.

Směrem k materiálům ovládaným světlem

Kromě toho, že výzkum ukazuje, jak se vyvíjí světlem vyvolaný skrytý stav, poukazuje na možnou strategii pro manipulaci vlastností materiálů s extrémně krátkými světelnými pulzy. Schopnost vytvářet a ovládat tyto dočasné stavy by mohla přispět k novým fotoreaktivním materiálům navrženým pro vysokorychlostní elektroniku, optoelektronická zařízení a další technologie, které vyžadují přesnou kontrolu nad tím, jak se materiály chovají.

Budoucí výzkum by mohl rozšířit stejný experimentální a teoretický přístup na jiné typy materiálů. Odhalením dříve neviditelných kroků, které se vyskytují během ultrarychlých transformací, se vědci mohou přiblížit k navrhování materiálů, jejichž vlastnosti lze záměrně a efektivně ovládat pomocí světla.