Japanischen Forschern ist es gelungen, die Entstehung eines verborgenen Elektronenzustands in einem Material in nur 30 Femtosekunden zu beobachten – einem Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde – und dabei die flüchtige Zwischenstufe einzufangen, die den Übergang antreibt. Die Arbeit wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.
Das Team vom Institute of Science Tokyo, der Universität Tohoku und dem Nagoya Institute of Technology feuerte ultrakurze Laserpulse auf eine metallorganische Gerüststruktur (MOF), ein Material, das durch die Verknüpfung von Metallionen mit organischen Molekülen entsteht. Mit zeitaufgelöster Reflexionsspektroskopie und Pulsen von nur sechs Femtosekunden Dauer beobachteten sie, wie sich das Reflexionsspektrum des Materials abrupt verschob und innerhalb von 30 fs eine neue optische Absorptionsbande entstand – die Signatur eines lichtinduzierten verborgenen Zustands.
'Wir fanden heraus, dass sich der lichtinduzierte verborgene Zustand innerhalb von 30 fs über einen zuvor unbekannten Zwischen-Elektronenzustand bildet', sagte Assistenzprofessor Tadahiko Ishikawa vom Institute of Science Tokyo, der die Untersuchung gemeinsam mit dem damaligen Doktoranden Samiran Banu, heute bei RIKEN, leitete.
Theoretische Berechnungen legten die zugrunde liegende Abfolge offen: Unmittelbar nach der Lichtabsorption trat das Material kurz in einen Bond-Order-Wave-Zustand ein, in dem die Bindungen zwischen benachbarten Stellen zwischen stärkeren und schwächeren Anordnungen wechselten. Auf diese elektronische Neuordnung folgten kleine atomare Bewegungen – gemeinsam führten sie das Material in den verborgenen Zustand. Die Berechnungen deuten zudem darauf hin, dass der Endzustand polar sein könnte – eine ungleichmäßige Verteilung positiver und negativer Ladungen, die es ermöglichen würde, das elektronische Verhalten eines Materials mit Licht zu justieren, ohne es dauerhaft zu verändern.
Lichtinduzierte Zustände bieten einen Weg, die elektronischen und optischen Eigenschaften eines Materials zu verändern, ohne allein auf Erhitzen oder Kühlen zu setzen. Indem die Methode die Zwischenschritte offenlegt, könnte sie helfen, lichtresponsive Materialien für Hochgeschwindigkeitselektronik, optoelektronische Bauelemente und andere lichtgesteuerte Systeme zu entwickeln – und, so die Autoren, ähnliche verborgene Übergänge könnten in anderen Materialien darauf warten, entdeckt zu werden.
