In Japan hebben wetenschappers de geboorte van een verborgen elektronische toestand in een materiaal gemeten op een verbazingwekkende 30 femtoseconden, een tijdschaal zo kort dat een miljoenste van een miljardste seconde als een eeuwigheid voelt. Het team, onder leiding van assistent-professor Tadahiko Ishikawa van het Institute of Science Tokyo, legde een vluchtige tussenstaat vast die nog nooit eerder was gezien, gevolgd door kleine atomaire verschuivingen die het materiaal in zijn nieuwe, verborgen configuratie vastzetten. Deze ontdekking, gepubliceerd in Physical Review Letters, opent een nieuwe route naar materialen die bijna onmiddellijk met licht kunnen worden aangestuurd.
Een lichtflits, een verborgen transformatie
De onderzoekers richtten zich op een metaal-organisch raamwerk, een materiaal dat is opgebouwd door metaalionen te verbinden met organische moleculen. Toen dit MOF een laserpuls absorbeerde, werd het niet simpelweg verhit of trilde het. In plaats daarvan kwam het in een tijdelijke elektronische toestand waarin de bindingen zich reorganiseerden in een zich herhalend patroon, een soort structurele prelude die slechts tientallen femtoseconden duurde. Vrijwel onmiddellijk daarna verschoven de atomen lichtjes en vestigde het materiaal zich in een foto-geïnduceerde verborgen toestand met eigenschappen die sterk verschillen van het normale gedrag.
Om dit proces te vangen, gebruikte het team tijdsopgeloste reflectiespectroscopie met ultrakorte laserpulsen van slechts zes femtoseconden. Ze maten hoe het licht dat door het materiaal werd gereflecteerd veranderde in het moment direct na de puls. Binnen 30 femtoseconden verschoof de reflectie, wat de vorming van de verborgen toestand onthulde. Het werk omvatte samenwerking met de Tohoku Universiteit en het Nagoya Institute of Technology, waaronder toenmalig promovendus Samiran Banu, nu werkzaam bij RIKEN.
Waarom lokale onderzoekers dit belangrijk vinden
Voor wetenschappers in Japan is dit meer dan een technische prestatie. Foto-geïnduceerde toestanden bieden een manier om materiaalgedrag te veranderen zonder te verwarmen of te koelen, en het begrijpen van hun vroegste stappen zou kunnen leiden tot snellere, responsievere technologieën. De theoretische berekeningen van het team hielpen de onverwachte tussenstaat te verklaren, en toonden aan dat licht materialen door voorheen onbekende paden kan sturen. De onderzoekers zeggen dat dit ultrasnelle pad nieuwe fotoresponsieve materialen en geavanceerde optische apparaten kan inspireren.
De ontdekking is belangrijk omdat het een stap onthult die ontbrak in het beeld van hoe verborgen toestanden ontstaan. Door het proces in realtime te volgen, heeft het team aangetoond dat licht een materiaal door een snelle, georganiseerde reeks van elektronische en atomaire veranderingen kan duwen. Deze kennis zou ingenieurs kunnen helpen materialen te ontwerpen die eigenschappen wisselen in fracties van een femtoseconde, wat mogelijk optische schakelaars of geheugenapparaten mogelijk maakt die op ongekende snelheden werken. De bevinding benadrukt ook hoeveel er nog te leren valt over de vluchtige toestanden die licht kan creëren, en hoe die toestanden kunnen worden benut voor toekomstige technologie.
