Japonští vědci pozorovali, jak se v organokovové struktuře po ozáření světlem vytváří takzvaný fotoindukovaný skrytý stav. Jde o uspořádání elektronů a atomů, které za běžných podmínek materiál nezaujímá a které může mít jiné vlastnosti než jeho původní stav. Celý proces se podle studie zveřejněné v časopise Physical Review Letters odehraje přibližně za 30 femtosekund, tedy za 30 biliardtin sekundy.
Výzkum vedl Tadahiko Ishikawa z Institute of Science Tokyo ve spolupráci s týmy z Tohoku University a Nagoya Institute of Technology. Materiálem byla donor-akceptorová metal-organic framework, zkráceně MOF. Tyto látky tvoří kovové ionty propojené organickými molekulami do pravidelné struktury. Vědci zkoumali, jak se v ní po pohlcení světelného impulzu mění elektronické vlastnosti.
Badatelé použili časově rozlišenou reflektanční spektroskopii. Při ní sledují, jak se od materiálu odráží světlo v různých okamžicích po ozáření. Experiment využíval laserové pulzy kratší než deset femtosekund, což umožnilo zachytit děje, které jsou rychlejší než běžné pohyby atomů v pevné látce. V naměřeném spektru se během zhruba 30 femtosekund objevila dodatečná absorpční pásma. Ta signalizovala vznik nového, světlem vyvolaného stavu.
Elektronické uspořádání předchází pohybu atomů
Samotné měření ale neukázalo celý mechanismus. Výzkumníci proto výsledky spojili s modelovými výpočty, které pomohly rekonstruovat sled událostí. Bezprostředně po absorpci světla se podle nich v materiálu vytvoří krátce trvající mezistav. Elektronické vazby mezi sousedními místy se v něm pravidelně střídají: některé jsou silnější a jiné slabší. Takové opakující se uspořádání vědci označují jako bond-order wave, tedy vlnu řádu vazeb.
Tento elektronický mezistav následně doprovodí malé posuny atomů v krystalové struktuře. Právě jejich kombinace podle výpočtů stabilizuje metastabilní skrytý stav. Metastabilní znamená, že stav může přetrvat delší dobu než původní krátký přechod, přestože nejde o nejstabilnější možnou konfiguraci materiálu. Výpočty rovněž naznačily, že výsledný stav může být polární, tedy s nerovnoměrným rozložením kladného a záporného náboje. Autoři proto hovoří o možné souvislosti s elektronickou feroelektřinou, nikoli o jejím definitivním prokázání.
Význam práce spočívá především v zachycení dosud nepozorovaného mezikroku při ultrarychlé přeměně. Studie neukazuje hotové zařízení ani novou technologii, ale popisuje mechanismus, který by mohl pomoci při návrhu materiálů ovladatelných krátkými světelnými pulzy. MOF struktury tak mohou sloužit jako platforma pro zkoumání nerovnovážných kvantových stavů a pro hledání způsobů, jak světlem měnit elektronické vlastnosti látky. Zda se podobný postup uplatní i v praktických součástkách, bude vyžadovat další výzkum na jiných materiálech a za různých podmínek.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.