محققان ژاپنی یک دگرگونی الکترونیکی بسیار سریع را در یک چارچوب فلزی-آلی ثبت کرده‌اند که یک حالت گذرا و حالت پنهانی را که تنها در 30 فمتوثانیه دنبال می‌شود، مشاهده کرده‌اند. تیمی از ساینس توکیو، دانشگاه توهوکو و موسسه فناوری ناگویا طیف‌سنجی لیزری فوق سریع را با محاسبات نظری ترکیب کردند تا یک حالت الکترونیکی میانی ناشناخته قبلی را آشکار کنند که به ایجاد تحول کمک می‌کند. این کشف سرنخ های جدیدی در مورد چگونگی استفاده از نور در نهایت برای کنترل سریع خواص مواد مدرن ارائه می دهد.
مواد پس از جذب نور می توانند رفتار غیرمنتظره ای داشته باشند. در برخی موارد، نور آنها را به حالت‌های القای نوری با ویژگی‌هایی میبرد که بسیار متفاوت از آنچه در شرایط معمولی از خود نشان می‌دهند. این حالت ها به محققان راه دیگری برای تغییر رفتار یک ماده فراتر از رویکردهای مرسوم مانند گرمایش یا سرمایش می دهد. یادگیری دقیق نحوه تشکیل آنها می تواند برای توسعه مواد حساس به نور در آینده و فناوری های نوری پیشرفته مهم باشد.
ثبت تبدیل در فمتوثانیه
یکی از بزرگترین چالش ها سرعت است. اولین گام ها در شکل گیری حالت القا شده نوری می توانند در مقیاس زمانی فمتوثانیه (fs) (یک میلیونیم یک میلیاردم ثانیه) آشکار شوند و مشاهده آنها را بسیار دشوار می کند.
برای مطالعه این اولین لحظات، تیمی به رهبری استادیار تاداهیکو ایشیکاوا از گروه شیمی، دانشکده علوم، مؤسسه علوم توکیو (ساینس توکیو)، ژاپن، با دانشجوی دکترای آن زمان سامیران بانو (اکنون محقق ویژه پسا دکتری RIKEN) و همکارانش در دانشگاه فناوری ناگویا ژاپن و موسسه فناوری ناگویا ژاپن کار کردند.
محققان بر روی یک چارچوب فلزی-آلی (MOF)، ماده ای که از پیوند یون های فلزی به مولکول های آلی ساخته می شود، تمرکز کردند. هدف آنها تعیین دقیق چگونگی ایجاد حالت پنهان ناشی از نور بود. یافته ها در مجله منتشر شده است نامه معاینه فیزیکی.
ایشیکاوا می‌گوید: «ما دریافتیم که حالت پنهان ناشی از نور در 30 fs از طریق یک حالت الکترونیکی میانی ناشناخته قبلی شکل می‌گیرد.
لیزرهای فوق سریع حالت پنهان را نشان می دهد
برای ردیابی این تبدیل، محققان از طیف‌سنجی بازتابی با تفکیک زمانی و پالس‌های لیزری فوق‌کوتاه با طول عمر تنها شش fs استفاده کردند. این روش به آنها اجازه می‌دهد تا نحوه تغییر نور بازتاب‌شده از مواد را تقریباً بلافاصله پس از جذب پالس لیزر توسط MOF اندازه‌گیری کنند.
با این وضوح زمانی بسیار خوب، تیم تغییرات سریع در رفتار الکترونیکی مواد را ردیابی کرد. در عرض 30 fs، طیف بازتاب آن به طور چشمگیری تغییر می کند و ویژگی های مرتبط با ظاهر یک باند جذب نوری جدید ایجاد می شود. این تغییرات نشان می دهد که حالت نهفته ناشی از نور تشکیل شده است.
با این حال، آزمایش ها به تنهایی نمی توانند به طور کامل آنچه را که اتفاق می افتد توضیح دهند. بنابراین محققان اندازه گیری های خود را با محاسبات نظری ترکیب کردند تا توالی رویدادها را در مواد بازسازی کنند.
حالت الکترونیکی گذرا اول است
تجزیه و تحلیل نشان داد که بلافاصله پس از جذب نور، ماده برای مدت کوتاهی وارد حالت الکترونیکی متوسط می شود. در طول این مدت، پیوندهای الکترونیکی بین سایت‌های همسایه به طور متناوب بین قوی‌تر و ضعیف‌تر در یک الگوی تکرار شونده بود. این پیکربندی به عنوان حالت موجک مرتبه پیوند شناخته می شود.
دولت برای مدت کوتاهی وجود داشت. به دنبال آن حرکات کوچکی در موقعیت اتم‌ها در ماده ایجاد شد و این تغییرات ساختاری در نهایت به حالت پنهان ناشی از نور منجر شد.
محاسبات نظری همچنین نشان می دهد که حالت تازه تشکیل شده ممکن است قطبی باشد. در چنین حالتی، بارهای الکتریکی مثبت و منفی به طور نابرابر در سراسر ماده توزیع می شوند. اگر بتوان این حالت های قطبی ناشی از نور را به طور قابل اعتماد ایجاد و کنترل کرد، می توانند راه های جدیدی برای دستکاری خواص الکترونیکی با استفاده از نور ارائه دهند.
ایشیکاوا توضیح می‌دهد: «با آشکار کردن حالت‌های میانی، روش ما می‌تواند به طراحی موادی کمک کند که با استفاده از نور به طور مؤثر کنترل شوند.
به سمت مواد کنترل شده با نور
این تحقیق علاوه بر نشان دادن چگونگی ایجاد حالت پنهان ناشی از نور، به یک استراتژی احتمالی برای دستکاری خواص مواد با پالس‌های بسیار کوتاه نور اشاره می‌کند. توانایی ایجاد و کنترل این حالت‌های گذرا می‌تواند به مواد حساس به نور جدید طراحی شده برای الکترونیک پرسرعت، دستگاه‌های الکترونیک نوری و سایر فناوری‌هایی که نیاز به کنترل دقیق بر رفتار مواد دارند کمک کند.
تحقیقات آینده می تواند همان رویکرد تجربی و نظری را به انواع دیگر مواد گسترش دهد. دانشمندان با افشای مراحل نامرئی قبلی که در طول تبدیل‌های فوق سریع رخ می‌دهند، می‌توانند به طراحی موادی نزدیک‌تر شوند که خواص آنها را می‌توان آگاهانه و کارآمد با نور کنترل کرد.
