Pesquisadores no Japão capturaram uma transição eletrônica excepcionalmente rápida dentro de uma estrutura metal-orgânica, observando um estado transitório e um estado oculto que ocorreram em apenas 30 femtossegundos. A equipe da Science Tokyo, da Universidade Tohoku e do Instituto de Tecnologia de Nagoya combinou espectroscopia a laser ultrarrápida com cálculos teóricos para descobrir um estado eletrônico intermediário até então desconhecido que ajuda a impulsionar a transformação. A descoberta fornece novas pistas sobre como a luz poderá eventualmente ser usada para controlar rapidamente as propriedades de materiais avançados.
Os materiais podem se comportar de maneiras inesperadas após absorverem luz. Em alguns casos, a luz os empurra para um estado fotoinduzido com propriedades muito diferentes daquelas que apresentam em condições normais. Esses estados oferecem aos pesquisadores outra maneira de mudar o comportamento físico, além dos métodos tradicionais, como aquecimento ou resfriamento. Aprender como eles são formados pode ser importante para o desenvolvimento de materiais fotorresponsivos e tecnologias ópticas avançadas no futuro.
Capturando alterações em femtossegundos
Um dos maiores desafios é a velocidade. Os primeiros passos na formação do estado fotoinduzido podem ocorrer na escala de tempo do femtossegundo (fs) (um milionésimo de bilionésimo de segundo), tornando-os excepcionalmente difíceis de observar.
Para investigar esses primeiros momentos, uma equipe liderada pelo professor assistente Tadahiko Ishikawa do Departamento de Química da Escola de Ciências do Instituto de Ciências de Tóquio (Sci Tokyo), Japão, trabalhou com o então estudante de doutorado Samiran Banu (atualmente um pesquisador especial de pós-doutorado na RIKEN) e colegas da Universidade de Tohoku e do Instituto de Tecnologia de Nagoya, no Japão.
Os pesquisadores se concentraram em estruturas metal-orgânicas (MOFs), que são materiais feitos pela ligação de íons metálicos a moléculas orgânicas. Seu objetivo era determinar como o estado latente fotoinduzido se desenvolve. As descobertas foram publicadas na revista artigo de revisão física.
“Descobrimos que o estado oculto fotoinduzido é formado dentro de 30 fs através de um estado eletrônico intermediário anteriormente desconhecido”, diz Ishikawa.
Lasers ultrarrápidos revelam um estado oculto
Para acompanhar a mudança, os pesquisadores usaram espectroscopia de refletância resolvida no tempo e pulsos de laser ultracurtos com duração de apenas seis fs. O método permitiu medir como a luz refletida pelo material mudou imediatamente após o MOF absorver o pulso de laser.
Com esta resolução de tempo extremamente precisa, a equipe rastreou mudanças rápidas no comportamento eletrônico do material. Dentro de 30 fs, seu espectro de refletância mudou drasticamente e foram desenvolvidas características associadas ao aparecimento de uma nova banda de absorção óptica. Essas alterações indicaram que o estado latente fotoinduzido havia sido formado.
No entanto, os experimentos por si só não conseguiram explicar completamente o que estava acontecendo. Assim, os investigadores combinaram as suas medições com cálculos teóricos para recriar a sequência de eventos dentro do material.
Um estado eletrônico transitório vem primeiro
A análise mostrou que imediatamente após absorver a luz, o material entrou brevemente em um estado eletrônico intermediário. Durante este momento, as ligações electrónicas entre locais vizinhos alternaram entre mais fortes e mais fracas num padrão repetitivo. Esta configuração é conhecida como estado de onda de ordem de ligação.
O estado existiu apenas por um curto período. Isto levou então a pequenos movimentos nas posições dos átomos dentro do material e essas mudanças estruturais acabaram por criar o estado oculto foto-induzido.
Cálculos teóricos também mostraram que o estado recém-formado poderia ser polar. Em tal situação, as cargas elétricas positivas e negativas são distribuídas de forma desigual no material. Se esses estados polares fotoinduzidos puderem ser criados e controlados de forma confiável, eles poderão fornecer novas maneiras de manipular propriedades eletrônicas usando luz.
“Ao revelar estados intermediários, nosso método pode ajudar a projetar materiais que podem ser controlados de forma eficiente usando luz”, explica Ishikawa.
Rumo a materiais controlados por luz
Além de mostrar como se desenvolve um estado latente fotoinduzido, a pesquisa aponta uma possível estratégia para manipular propriedades de materiais com pulsos de luz extremamente curtos. Ser capaz de criar e controlar essas condições transitórias poderia contribuir para novos materiais fotorresponsivos projetados para eletrônica de alta velocidade, dispositivos optoeletrônicos e outras tecnologias que exigem controle preciso sobre o comportamento dos materiais.
Pesquisas futuras poderiam estender abordagens experimentais e teóricas semelhantes a outros tipos de materiais. Ao descobrir as etapas anteriormente invisíveis que ocorrem durante as transformações ultrarrápidas, os cientistas podem chegar mais perto de projetar materiais cujas propriedades possam ser controladas de forma deliberada e eficiente com a luz.
