Ученые зафиксировали формирование скрытого электронного состояния за 30 фемтосекунд

Исследователи из Японии зафиксировали невероятно быструю электронную трансформацию внутри металлоорганического каркаса, наблюдая мимолетное состояние и последовавшее за ним скрытое состояние всего за 30 фемтосекунд. Команда из Научного института Токио, Университета Тохоку и Технологического института Нагои объединила сверхбыструю лазерную спектроскопию с теоретическими расчетами, чтобы обнаружить ранее неизвестное промежуточное электронное состояние, которое помогает управлять трансформацией. Это открытие дает новые ключи к пониманию того, как свет в будущем можно будет использовать для быстрого управления свойствами передовых материалов.

Материалы могут вести себя неожиданным образом после поглощения света. В некоторых случаях свет переводит их в фотоиндуцированные состояния со свойствами, сильно отличающимися от тех, что проявляются в обычных условиях. Эти состояния дают исследователям еще один способ изменять поведение материалов в дополнение к традиционным подходам, таким как нагрев или охлаждение. Точное понимание того, как они формируются, может быть важным для разработки будущих фоточувствительных материалов и передовых оптических технологий.

Захват трансформации за фемтосекунды

Одной из самых больших проблем является скорость. Первые шаги формирования фотоиндуцированного состояния могут разворачиваться во временном масштабе фемтосекунд (fs) (миллионная доля миллиардной доли секунды), что делает их исключительно трудными для наблюдения.

Чтобы исследовать эти самые ранние моменты, команда под руководством доцента Тадахико Исикавы с химического факультета Научного института Токио (Science Tokyo), Япония, работала вместе с тогдашним аспирантом Самираном Бану (ныне специальным постдокторантом в RIKEN) и сотрудниками из Университета Тохоку и Технологического института Нагои, Япония.

Исследователи сосредоточились на металлоорганическом каркасе (MOF) — материале, созданном путем соединения ионов металлов с органическими молекулами. Их целью было точно определить, как развивается фотоиндуцированное скрытое состояние. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Мы обнаружили, что фотоиндуцированное скрытое состояние формируется в течение 30 фс через ранее неизвестное промежуточное электронное состояние», — говорит Исикава.

Сверхбыстрые лазеры раскрывают скрытое состояние

Чтобы проследить за трансформацией, исследователи использовали спектроскопию отражения с временным разрешением и ультракороткие лазерные импульсы длительностью всего шесть фс. Этот метод позволил им измерить, как свет, отраженный материалом, менялся почти сразу после поглощения MOF лазерного импульса.

Благодаря такому чрезвычайно тонкому временному разрешению команда отследила быстрые изменения электронного поведения материала. В течение 30 фс его спектр отражения резко сместился, и в нем появились особенности, связанные с возникновением новой полосы оптического поглощения. Эти изменения указывали на то, что фотоиндуцированное скрытое состояние сформировалось.

Однако одних экспериментов было недостаточно для полного объяснения происходящего. Поэтому исследователи объединили свои измерения с теоретическими расчетами, чтобы реконструировать последовательность событий внутри материала.

Сначала возникает мимолетное электронное состояние

Анализ показал, что сразу после поглощения света материал кратковременно входил в промежуточное электронное состояние. В этот момент электронные связи между соседними участками чередовались между более сильными и более слабыми по повторяющемуся образцу. Эта конфигурация известна как состояние волны зарядового порядка.

Состояние существовало лишь недолго. За ним последовали небольшие смещения в положениях атомов внутри материала, и эти структурные изменения в конечном итоге привели к фотоиндуцированному скрытому состоянию.

Теоретические расчеты также показали, что вновь образованное состояние может быть полярным. В таком состоянии положительные и отрицательные электрические заряды распределены неравномерно по материалу. Если эти фотоиндуцированные полярные состояния можно будет надежно создавать и контролировать, они могут открыть 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», — объясняет Исикава.

На пути к материалам, управляемым светом

Помимо демонстрации того, как развивается фотоиндуцированное скрытое состояние, исследование указывает на возможную стратегию управления свойствами материалов с помощью чрезвычайно коротких световых импульсов. Возможность создавать и контролировать эти временные состояния может способствовать созданию новых фоточувствительных материалов, предназначенных для высокоскоростной электроники, оптоэлектронных устройств и других технологий, требующих точного контроля над поведением материалов.

Будущие исследования могут распространить тот же экспериментальный и теоретический подход на другие типы материалов. Выявляя ранее невидимые шаги, происходящие во время сверхбыстрых трансформаций, ученые могут приблизиться к созданию материалов, свойствами которых можно будет намеренно и эффективно управлять с помощью света.

Источники:

Материалы предоставлены Научным институтом Токио.

Samiran Banu, Tatsuya Amano, Takahisa Kato, Kou Takubo, Yoichi Okimoto, Shinya Koshihara, Yohei Kawakami, Hirotake Itoh, Wataru Kosaka, Hitoshi Miyasaka, Shinichiro Iwai, Akira Takahashi, Tadahiko Ishikawa. Ultrafast Formation of a Photoinduced Hidden State Driven by a Bond-Order Wave in a Metal-Organic Framework. Physical Review Letters, 2026; 137 (4) DOI: 10.1103/x43y-61c1