Fizicienii au descoperit un nou proces de amplificare a răspunsului unui material fotocomutabil la un puls laser prin efecte elastice cooperative. Când absorb un foton, unele molecule își pot schimba proprietățile optice (cum ar fi cele care dau culoarea cristalului), proprietățile magnetice sau chiar volumul.
Având o durată mai scurtă de o picosecundă (10-12 sau 0.000000000001 secunde), această transformare are loc în același mod atunci când molecula este izolată în soluție sau atunci când este situată într-un cristal. Cu toate acestea, într-un cristal supus unui puls ultrarapid laser, creșterea volumului unui număr mare de moleculele datorită absorbției de fotoni rezultă în generarea unei deformări mecanice în rețeaua cristalină. Fizicieni ai facultății noastre și colegi de la Institutul de Fizică din Rennes (IPR, CNRS / Univ. Rennes 1) au arătat că există un cuplaj elastică între moleculele care amplifică efectul pulsului laser atunci când este suficiente moleculele sunt fotoexcitate.
Această particularitate a acestor materiale cristaline conduce la comutarea unui număr mult mai mare de molecule decât atunci când acestea sunt izolate unele de altele. Răspândirea unui ”șoc elastic” prin rețeaua cristalină modifică de asemenea starea magnetică, rezistența dar și culoarea cristalelor deschizând calea pentru noi dispozitive fotocomutabile cu timpi foarte scurți de răspuns și puțin consumatoare de energie. Pentru a studia acest fenomen, fizicienii au folosit nanocristale cu dimensiuni de 300 nm formate din molecule fotomagnetice.
Ei au excitat probe din aceste materiale folosind un impuls laser cu o durată de câteva femtosecunde (10-15 secunde) care inițiază transformarea simultană a unei părți a moleculelor. În același timp, cercetătorii au măsurat evoluția în timp a cantității de molecule transformate după absorbția pulsului laser. Aceste măsuri arată existența unui efect de prag în funcție de energia luminoasă absorbită de cristal. Când mai mult de 3% din molecule sunt excitate, această transformare se auto-amplifică de mai mult de 10 ori, numărul moleculelor transformate atingând mai mult de 30% din totalul lor.
Pentru a înțelege acest fenomen, cercetătorii din Iași au dezvoltat un model teoretic ce ține seama de interacțiunile elastice dintre molecule. Atunci când un foton este absorbit de o moleculă, aceasta își crește volumul, iar acest fapt se reflectă într-o creștere a presiunii exercitată asupra sa de moleculele vecine făcând-o să se întoarcă rapid la starea sa inițială.
Dar această moleculă dilatată exercită de asemenea o presiune asupra rețelei ce o înconjoară. Când se transformă simultan suficiente molecule, înainte de a avea timp să se relaxeze – ceea ce este posibil numai folosind un laser cu pulsuri foarte scurte – ele creează împreună o presiune negativă care preia controlul în rețea atrăgând transformarea altor molecule în starea de volum mai mare. Acest lucru este deosebit de eficient într-un nanomaterial în care expansiunea volumului are loc în mai puțin de o nanosecundă.
Un foton transformă în medie până la 5 molecule. Cu alte cuvinte, este nevoie de 5 ori mai puțină energie pentru a transforma o moleculă. Amplificarea începe atunci când densitatea moleculelor excitate este suficient de mare încât să poată interacționează pe distanțe apropiate. Acest nouă metodă de control a materialelor prin lumină deschide drumul spre o largă gamă de aplicații ale materialelor fotoactive care sunt sensibile la schimbări de volum.
Detalii suplimentare in articolul publicat in Nature Materials:
Bertoni, R; Lorenc, M; Cailleau, H; Tissot, A; Laisney, J; Boillot, ML; Stoleriu, L; Stancu, A; Enachescu, C; Collet, E Elastically driven cooperative response of a molecular material impacted by a laser pulse NATURE MATERIALS, Volume: 15, Pages: 606, DOI: 10.1038/NMAT4606, JUN 2016