Des chercheurs japonais capturent une transformation électronique ultrarapide en 30 femtosecondes
Des chercheurs de l’Institut de Science Tokyo, de l’Université de Tohoku et de l’Institut de Technologie de Nagoya ont réussi à observer une transformation électronique extrêmement rapide à l’intérieur d’un cadre organométallique, identifiant un état éphémère et l’état caché qui a suivi en seulement 30 femtosecondes. Cette étude, dirigée par le professeur adjoint Tadahiko Ishikawa, a utilisé la spectroscopie laser ultrarapide combinée à des calculs théoriques pour découvrir un état électronique intermédiaire jusqu’alors inconnu, essentiel à cette transformation. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à une utilisation rapide de la lumière pour contrôler les propriétés de matériaux avancés.
Les matériaux peuvent adopter des comportements inattendus après avoir absorbé de la lumière, se retrouvant parfois dans des états photoinduits aux propriétés radicalement différentes de celles observées dans des conditions normales. Ces états offrent aux chercheurs une nouvelle méthode pour modifier le comportement des matériaux, au-delà des techniques conventionnelles telles que le chauffage ou le refroidissement. Comprendre la formation de ces états pourrait s’avérer crucial pour le développement de matériaux photo-réactifs et de technologies optiques avancées.
Un des principaux défis réside dans la vitesse à laquelle ces transformations se produisent. Les premières étapes de la formation d’un état photoinduit se déroulent sur une échelle de temps femtoseconde (fs), soit un millionième de milliardième de seconde, rendant leur observation particulièrement difficile.
Pour explorer ces moments initiaux, l’équipe a concentré ses efforts sur un cadre organométallique (MOF), une structure composée d’ions métalliques et de molécules organiques. Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de réflectance résolue dans le temps et des impulsions laser ultracourtes de seulement six fs pour suivre la transformation. Cette méthode a permis de mer les changements presque immédiats de la lumière réfléchie par le matériau après l’absorption d’une impulsion laser. Ils ont observé que, dans un laps de 30 fs, le spectre de réflectance du matériau a subi des modifications significatives, indiquant la formation d’un nouvel état caché.
L’analyse a révélé que, juste après l’absorption de la lumière, le matériau a brièvement atteint un état électronique intermédiaire, où les liaisons électroniques entre les sites voisins alternaient entre des forces plus ou moins fortes, formant ce qu’on appelle un état de vague d’ordre de liaison. Cet état a été de courte durée, suivi de mouvements atomiques mineurs qui ont finalement conduit à l’apparition de l’état caché.
Des calculs théoriques ont également suggéré que le nouvel état pourrait être polaire, avec une distribution inégale des charges électriques positives et négatives dans le matériau. Si ces états photoinduits peuvent être créés et contrôlés de manière fiable, ils pourraient offrir de nouvelles façons de manipuler les propriétés électroniques à l’aide de la lumière.
Cette recherche souligne une stratégie potentielle pour manipuler les propriétés des matériaux à l’aide d’impulsions lumineuses extrêmement courtes, ce qui pourrait contribuer à la conception de nouveaux matériaux photo-réactifs destinés à l’électronique haute vitesse et aux dispositifs optoélectroniques.
Les travaux futurs pourraient appliquer cette approche expérimentale et théorique à d’autres types de matériaux, permettant ainsi de dévoiler les étapes auparavant invisibles des transformations ultrarapides et rapprochant les scientifiques de la conception de matériaux dont les propriétés peuvent être contrôlées de manière délibérée et efficace par la lumière.
Source : Physical Review Letters
