日本的研究人员捕捉到了金属有机框架内部的极快电子转变，观察到短暂的状态和随之而来的隐藏状态，在短短30飞秒内完成。来自东京科学、东北大学和名古屋工业大学的团队结合了超快激光光谱技术与理论计算，揭示了一种以前未知的中间电子状态，助力转变的发生。这一发现为光可能如何被用来快速控制先进材料的性质提供了新的线索。材料在吸收光后可能表现出意想不到的行为。在某些情况下，光会将它们推入光诱导状态，这些状态的特性与它们在普通条件下显示的特性大相径庭。这些状态为研究人员提供了另一种改变材料行为的方法，超越了加热或冷却等传统方法。准确了解它们是如何形成的，对开发未来光响应材料和先进光学技术至关重要。 捕捉飞秒中的转变 最大的挑战之一是速度。形成光诱导状态的第一步可以在飞秒（fs）时间尺度上展开（十亿分之一的百万分之一秒），使其异常难以观察。为了研究这些最早的时刻，由东京科学学院化学系助理教授石川忠彦领导的团队与当时的博士生萨米兰·巴努（目前是RIKEN的特别博士后研究员）以及东北大学和名古屋工业大学的合作者合作。研究人员专注于金属有机框架（MOF），这是一种通过连接金属离子和有机分子构建的材料。他们的目标是准确确定光诱导的隐藏状态是如何发展的。研究结果发表在《物理评论快报》上。石川说：“我们发现光诱导的隐藏状态在30飞秒内通过一种之前未知的中间电子状态形成。” 超快激光揭示隐藏状态 为了跟踪转变，研究人员使用了时间分辨反射光谱法和仅持续六飞秒的超短激光脉冲。这种方法使他们能够在MOF吸收激光脉冲后几乎立即测量材料反射的光是如何变化的。通过这种极为精确的时间分辨率，研究团队追踪了材料电子行为的快速变化。在30飞秒内，其反射光谱剧烈变化，并形成与新的光学吸收带的出现相关的特征。这些变化表明光诱导的隐藏状态已经形成。然而，仅靠实验无法完全解释发生了什么。因此，研究人员将测量结果与理论计算结合，以重建材料内部事件的序列。 短暂的电子状态首先出现 分析表明，在吸收光后，材料短暂进入一种中间电子状态。在这一刻，邻近位置之间的电子键在更强和更弱之间以重复模式交替。这种配置被称为键序波状态。该状态仅存在短暂时间。随后是材料内部原子位置的小幅移动，这些结构变化最终产生了光诱导的隐藏状态。理论计算还表明，新形成的状态可能是极性的。在这种状态下，正电荷和负电荷在材料中分布不均。如果可以可靠地创建和控制这些光诱导的极性状态，这将为利用光操纵电子特性提供新的方法。石川解释道：“通过揭示中间状态，我们的方法可以帮助设计能够通过光有效控制的材料。” 朝向由光控制的材料 除了展示光诱导隐藏状态的发展过程外，这项研究还指向了一种可能的策略，用于用极短的光脉冲操纵材料的性质。能够创建和控制这些临时状态可能有助于设计用于高速电子学、光电设备以及其他需要精确控制材料行为的技术的新光响应材料。未来的研究可以将相同的实验和理论方法扩展到其他类型的材料。通过揭示超快转变过程中发生的之前不可见的步骤，科学家们可能会更接近于设计那些能够被故意和有效地用光控制的材料。