日本研究人員在日本金屬有機骨架材料中，捕捉到一個極其快速的電子轉變過程，僅在 30 飛秒內就觀察到一個短暫的狀態及其後續形成的隱藏狀態。來自東京科學大學、東北大學和名古屋工業大學的研究團隊，結合了超快雷射光譜學與理論計算，揭示了一個先前未知的過渡電子狀態，該狀態有助於驅動轉變。

這項發現為光如何最終被用於快速控制先進材料的特性提供了新的線索。

材料在吸收光之後，行為可能出乎意料。在某些情況下，光會將它們推入光誘導狀態，其特性與它們在普通條件下的表現截然不同。這些狀態為研究人員提供了一種超越加熱或冷卻等傳統方法來改變材料行為的新途徑。確切了解它們如何形成，對於開發未來的感光材料和先進光學技術可能很重要。

捕捉飛秒級的轉變

最大的挑戰之一是速度。形成光誘導狀態的第一步可能在飛秒（fs）時間尺度上展開（十億分之一秒的百萬分之一），這使得它們極難觀察。

為了研究這些最早的時刻，由東京科學大學科學學院化學系助理教授 Tadahiko Ishikawa 領導的團隊，與當時的博士生 Samiran Banu（現為理化學研究所特別研究員）以及東北大學和名古屋工業大學的合作者一起工作。

研究人員聚焦於一種金屬有機骨架（MOF），這是一種由金屬離子與有機分子連接而成的材料。他們的目標是確切了解光誘導的隱藏狀態是如何發展的。研究結果發表在《物理評論快報》期刊上。

「我們發現，光誘導的隱藏狀態在 30 飛秒內形成，經過一個先前未知的過渡電子狀態，」Ishikawa 說。

超快雷射揭示隱藏狀態

為了追蹤轉變過程，研究人員使用了時間解析反射光譜學和僅持續六飛秒的超短雷射脈衝。這種方法使他們能夠測量在 MOF 吸收雷射脈衝後，材料反射光的變化情況。

憑藉這種極精細的時間解析度，團隊追蹤了材料電子行為的快速變化。在 30 飛秒內，其反射光譜發生了戲劇性的轉變，並出現了與新光吸收帶相關的特徵。這些變化表明光誘導的隱藏狀態已經形成。

然而，僅憑實驗無法完全解釋正在發生的事情。因此，研究人員將他們的測量與理論計算結合起來，以重建材料內部的事件順序。

短暫的電子狀態首先出現

分析顯示，在吸收光後，材料短暫地進入了一個過渡電子狀態。在此期間，相鄰位點之間的電子鍵以重複的模式在強和弱之間交替。這種構型被稱為鍵序波狀態。

該狀態僅存在了很短的時間。隨後，材料內部的原子位置發生了微小移動，而這些結構變化最終產生了光誘導的隱藏狀態。

理論計算還表明，新形成的狀態可能是極性的。在這種狀態下，正負電荷在材料中分布不均。如果這些光誘導的極性狀態能夠被可靠地創建和控制，它們可以提供利用光操縱電子特性的新方法。

「透過揭示過渡狀態，我們的研究方法有助於設計能夠被光有效控制的材料，」Ishikawa 解釋說。

邁向光控材料

除了展示光誘導的隱藏狀態如何發展之外，這項研究還指出了利用極短光脈衝操縱材料特性的可能策略。能夠創建和控制這些臨時狀態，有助於設計用於高速電子、光電裝置和其他需要精確控制材料行為的技術的新型感光材料。

未來的研究可以將相同的實驗和理論方法擴展到其他類型的材料。透過揭示超快轉變過程中先前看不見的步驟，科學家們可能更接近於設計出其特性可以被故意且有效地透過光控制的材料。