Un état électronique photo-induit éphémère, puis la formation d’un état caché photo-induit dans une structure métallo-organique, ont été capturés en seulement 30 femtosecondes par des chercheurs de Science Tokyo, de l’université de Tohoku et de l’institut de technologie de Nagoya, au Japon. En combinant spectroscopie laser ultrarapide et analyse théorique, les chercheurs ont découvert qu’un état électronique transitoire joue un rôle clé dans ce processus. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour contrôler les propriétés des matériaux par la lumière dans de futures applications.
Lorsque les matériaux absorbent de la lumière, ils peuvent entrer dans des états inhabituels dont les propriétés diffèrent de leur comportement normal. Ces états photo-induits offrent aux scientifiques un moyen de contrôler les propriétés des matériaux au-delà de ce qui est possible par chauffage ou refroidissement. Comprendre comment ces états émergent sur des échelles de temps ultrarapides est essentiel pour concevoir de futurs matériaux photoréactifs et des technologies optiques avancées.
Cependant, les tout premiers stades de la formation de l’état photo-induit peuvent se produire sur une échelle de temps de la femtoseconde (fs) (un millionième de milliardième de seconde), ce qui rend le processus extrêmement difficile à observer et à comprendre. Pour surmonter ce défi, une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Tadahiko Ishikawa, du département de chimie, école des sciences, Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, avec Samiran Banu, alors doctorant (actuellement chercheur postdoctoral spécial à RIKEN), a mené une étude en collaboration avec des chercheurs de l’université de Tohoku et de l’institut de technologie de Nagoya, au Japon. Ils ont étudié comment un état caché photo-induit se forme dans une structure métallo-organique (MOF), obtenue en reliant des ions métalliques à des molécules organiques. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters le 22 juillet 2026.
« Nous avons constaté que l’état caché photo-induit se forme en moins de 30 fs par l’intermédiaire d’un état électronique intermédiaire jusqu’alors inconnu », explique Ishikawa.
Pour capturer ces changements ultrarapides, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie de réflectance résolue en temps avec des impulsions laser ultracourtes d’une durée de six fs seulement. Cette technique suit la façon dont la lumière réfléchie par un matériau change immédiatement après qu’il a absorbé une impulsion laser. À l’aide d’impulsions laser ultracourtes, ils ont suivi le comportement électronique du MOF avec une résolution temporelle précise. Les résultats ont révélé qu’en moins de 30 fs, le spectre de réflectance changeait rapidement, montrant des caractéristiques associées à la formation d’une nouvelle bande d’absorption optique. Cela signifiait qu’un état caché photo-induit s’était formé.
Pour comprendre l’origine de ces changements, l’équipe a également eu recours à des calculs théoriques en complément de ses expériences. L’analyse a révélé qu’immédiatement après l’absorption de la lumière, le matériau entrait brièvement dans un état électronique transitoire dans lequel la liaison électronique entre sites voisins devenait alternativement plus forte et plus faible. Cet état est appelé état d’onde d’ordre de liaison. Cet état de courte durée était ensuite suivi de légers déplacements des atomes au sein du matériau, conduisant finalement à l’état caché photo-induit.
Les calculs théoriques ont révélé que l’état photo-induit résultant pourrait être polaire, c’est-à-dire que les charges électriques positives et négatives deviennent inégalement réparties dans le matériau. Ces états polaires photo-induits pourraient inspirer de nouvelles façons de contrôler les propriétés électroniques d’un matériau à l’aide de la lumière.
« En révélant les états intermédiaires, notre méthode pourrait aider à concevoir des matériaux pouvant être efficacement contrôlés par la lumière », souligne Ishikawa.
Au-delà de la révélation de la manière dont les états photo-induits émergent, ces résultats offrent une stratégie prometteuse pour contrôler les propriétés des matériaux à l’aide d’impulsions lumineuses ultracourtes. La capacité de créer et de manipuler ces états temporaires pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux matériaux photoréactifs pour l’électronique à haute vitesse, les dispositifs optoélectroniques et d’autres technologies reposant sur un contrôle précis des propriétés des matériaux. De futures études pourraient appliquer la même approche à une gamme plus large de matériaux, nous rapprochant ainsi un peu plus de la conception de nouveaux matériaux contrôlés par la lumière.
Article : Ultrafast formation of a photoinduced hidden state driven by a bond-order wave in a metal–organic framework – Journal : Physical Review Letters – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Institut des sciences de Tokyo
