Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Ερευνητές παρατήρησαν μια κρυφή κατάσταση, η οποία πυροδοτείται από το φως, να σχηματίζεται μέσα σε μόλις 30 φεμτοδευτερόλεπτα σε ένα μέταλλο-οργανικό πλέγμα (MOF).
- Ο συνδυασμός υπερταχείας φασματοσκοπίας λέιζερ με θεωρητικούς υπολογισμούς επέτρεψε την εντόπιση μιας μεταβατικής ηλεκτρονικής κατάστασης και την αποσαφήνιση του ρόλου της στη γρήγορη μετάβαση.
- Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις προσπάθειες ελέγχου των ιδιοτήτων των υλικών με τη χρήση φωτός, ανοίγοντας τον δρόμο για νέες οπτικές τεχνολογίες και ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ταχύτητας.
Ερευνητές παρατήρησαν μια κρυφή κατάσταση, η οποία πυροδοτείται από το φως, να σχηματίζεται μέσα σε 30 femtoseconds (φεμτοδευτερόλεπτα).
Ένας παλμός φωτός οδήγησε ένα μέταλλο-οργανικό πλέγμα (MOF) σε μια κρυφή ηλεκτρονική κατάσταση μέσα σε μόλις 30 φεμτοδευτερόλεπτα.
Παρακολουθώντας τον μετασχηματισμό σχεδόν σε πραγματικό χρόνο, οι ερευνητές ανακάλυψαν ένα φευγαλέο ενδιάμεσο στάδιο που φαίνεται να καθοδηγεί το υλικό στη νέα του κατάσταση.
Η εργασία διεξήχθη από ερευνητές στο Ινστιτούτο Επιστήμης του Τόκιο, στο Πανεπιστήμιο Τοχόκου και στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ναγκόγια στην Ιαπωνία.
Ο συνδυασμός υπερταχείας φασματοσκοπίας λέιζερ με θεωρητικούς υπολογισμούς τούς επέτρεψε να εντοπίσουν τη μεταβατική ηλεκτρονική κατάσταση και να αποσαφηνίσουν τον ρόλο της στη γρήγορη μετάβαση. Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις προσπάθειες ελέγχου των ιδιοτήτων των υλικών με τη χρήση φωτός.
Η σύγχρονη τεχνολογία αναζητά συνεχώς τρόπους για να κάνει τις ηλεκτρονικές συσκευές πιο γρήγορες και αποδοτικές, χρησιμοποιώντας το φως αντί για το ηλεκτρικό ρεύμα.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες δυσκολεύονταν να κατανοήσουν τις αστραπιαίες αλλαγές που συμβαίνουν στο εσωτερικό των υλικών κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας.
Μια νέα, πρωτοποριακή ιαπωνική έρευνα καταφέρνει τώρα να ρίξει φως σε αυτό ακριβώς το «σκοτεινό» σημείο, καταγράφοντας φαινόμενα που συμβαίνουν σε ασύλληπτες ταχύτητες. Το φως μπορεί να ωθήσει στιγμιαία τα υλικά σε καταστάσεις που συμπεριφέρονται διαφορετικά από τις συνηθισμένες μορφές τους.
Αυτές οι φωτοεπαγόμενες καταστάσεις δίνουν στους ερευνητές έναν τρόπο να τροποποιούν τις ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες, χωρίς να βασίζονται αποκλειστικά στη θέρμανση ή την ψύξη.
Η αποκάλυψη του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται είναι σημαντική για τον σχεδιασμό προηγμένων οπτικών τεχνολογιών και υλικών που ανταποκρίνονται προβλέψιμα στο φως.
Υπερταχείς παλμοί «φωτίζουν» τη μετάβαση
Η πρόκληση είναι η ταχύτητα. Τα αρχικά στάδια του σχηματισμού της φωτοεπαγόμενης κατάστασης εξελίσσονται στη χρονική κλίμακα των φεμτοδευτερολέπτων (fs) —δηλαδή σε ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου— γεγονός που καθιστά εξαιρετικά δύσκολη την άμεση παρατήρησή τους.
Ο Επίκουρος Καθηγητής Tadahiko Ishikawa από το Τμήμα Χημείας της Σχολής Θετικών Επιστημών του Ινστιτούτου Επιστήμης του Τόκιο (Science Tokyo), στην Ιαπωνία, ηγήθηκε της έρευνας μαζί με την τότε διδακτορική φοιτήτρια Samiran Banu (η οποία σήμερα είναι Ειδική Μεταδιδακτορική Ερευνήτρια στο RIKEN). Στην έρευνα συνεργάστηκαν επίσης με επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Τοχόκου και το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ναγκόγια στην Ιαπωνία.
Στο επίκεντρο της προσοχής τους βρέθηκε ένα μέταλλο-οργανικό πλέγμα (MOF), ένα υλικό που κατασκευάζεται από τη σύνδεση μεταλλικών ιόντων με οργανικά μόρια. Οι ερευνητές ήθελαν να ανασυνθέσουν τη σειρά των γεγονότων μέσω των οποίων το φως οδηγεί το υλικό σε μια κρυφή κατάσταση.
Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters.
«Ανακαλύψαμε ότι η φωτοεπαγόμενη κρυφή κατάσταση σχηματίζεται μέσα σε 30 φεμτοδευτερόλεπτα, μέσα από μια άγνωστη μέχρι πρότινος ενδιάμεση ηλεκτρονική κατάσταση», δηλώνει ο Ishikawa.Για να παρακολουθήσουν αυτή τη μετάβαση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία ανάκλασης χρονικής ανάλυσης με παλμούς λέιζερ διάρκειας μόλις έξι φεμτοδευτερολέπτων.
Η τεχνική αυτή μετρά τον τρόπο με τον οποίο αλλάζει το φως που αντανακλάται από ένα υλικό αμέσως μόλις αυτό απορροφήσει έναν παλμό λέιζερ, προσφέροντας μια άμεση εικόνα της ηλεκτρονικής δομής του καθώς αυτή εξελίσσεται.
Μέσα σε 30 φεμτοδευτερόλεπτα, το φάσμα ανάκλασης του μέταλλο-οργανικού πλέγματος (MOF) μετατοπίστηκε απότομα και εμφάνισε χαρακτηριστικά που συνδέονται με μια νέα ζώνη οπτικής απορρόφησης. Αυτές οι αλλαγές υπέδειξαν ότι η κρυφή φωτοεπαγόμενη κατάσταση είχε ήδη σχηματιστεί.
Μια μεταβατική κατάσταση πυροδοτεί ατομικές αλλαγές
Οι πειραματικές μετρήσεις έδειξαν πότε συνέβη η μετάβαση, αλλά χρειάστηκαν θεωρητικοί υπολογισμοί για να εξηγηθεί η υποκείμενη αλληλουχία των γεγονότων. Αμέσως μετά την απορρόφηση του φωτός, το υλικό εισήλθε στιγμιαία σε μια ηλεκτρονική κατάσταση στην οποία οι δεσμοί μεταξύ γειτονικών θέσεων εναλλάσσονταν ανάμεσα σε ισχυρότερες και ασθενέστερες διατάξεις.
Αυτή η προσωρινή δομή ονομάζεται «κατάσταση κύματος τάξης δεσμού» (bond-order wave state). Μικρές αλλαγές στις θέσεις των ατόμων ακολούθησαν αυτή την ηλεκτρονική αναδιοργάνωση. Μαζί, το μεταβαλλόμενο μοτίβο των δεσμών και η ατομική κίνηση οδήγησαν το υλικό στην κρυφή φωτοεπαγόμενη κατάσταση.
Οι υπολογισμοί έδειξαν επίσης ότι η τελική κατάσταση ενδέχεται να είναι πολική, πράγμα που σημαίνει ότι τα θετικά και τα αρνητικά ηλεκτρικά φορτία είναι άνισα κατανεμημένα στο υλικό. Οι πολικές καταστάσεις που προκαλούνται από το φως θα μπορούσαν να προσφέρουν έναν τρόπο ρύθμισης της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς, χωρίς να αλλάζει μόνιμα το υλικό.
«Αποκαλύπτοντας τις ενδιάμεσες καταστάσεις, η μέθοδός μας θα μπορούσε να βοηθήσει στον σχεδιασμό υλικών που μπορούν να ελεγχθούν αποτελεσματικά με τη χρήση του φωτός», εξηγεί ο Ishikawa.
Ο έλεγχος μέσω του φωτός ανοίγει τον δρόμο για νέα υλικά
Τα ευρήματα παρέχουν μια σαφέστερη εικόνα για το πώς το φως μπορεί να δημιουργήσει προσωρινές καταστάσεις υλικών, μέσα από μια ταχεία αλληλουχία ηλεκτρονικών και ατομικών αλλαγών.
Η κατανόηση αυτών των ενδιάμεσων σταδίων θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να αναπτύξουν πιο ακριβείς μεθόδους για την εναλλαγή ή τη ρύθμιση των ιδιοτήτων των υλικών με τη χρήση υπερβραχέων παλμών λέιζερ.
Αυτός ο έλεγχος ενδέχεται να υποστηρίξει μελλοντικά φωτοαποκρινόμενα υλικά για ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ταχύτητας, οπτοηλεκτρονικές συσκευές και άλλες τεχνολογίες που βασίζονται στην προσεκτικά ελεγχόμενη ηλεκτρονική συμπεριφορά.
Η εφαρμογή της ίδιας πειραματικής και θεωρητικής προσέγγισης σε επιπλέον υλικά θα μπορούσε να αποκαλύψει αν παρόμοιες κρυφές μεταβάσεις συμβαίνουν και αλλού, καθοδηγώντας τον σχεδιασμό νέων συστημάτων που ελέγχονται από το φως.