東京大學研究生院理學系研究科的大越慎一教授、雷恩大學的Eric Collett教授、Marco Cammarata研究員、筑波大學數理物質系的所裕子教授等人組成的法國國家科學研究中心國際聯合研究所DYNACOM（Dynamical Control of Materials）研究團隊，與美國SLAC國家加速器實驗室、歐洲同步輻射設施合作，全球首次開發出了利用X射線自由電子雷射照射，超高速同時觀測X射線吸收與繞射的光譜系統，並通過該系統成功完成了光誘導相變的觀測實驗。
圖1 光誘導產生的畸變傳播到整個晶體的示意圖（供圖：東京大學）
實驗採用的材料是大越教授團隊於2002年首次報告的化合物——銣-錳-鐵普魯士藍（RbMn[Fe(CN)₆]）中的一種，是將該化合物中的部分Mn（錳）替換為Co（鈷）形成的物質。
已知這種材料的光誘導電荷轉移相變性能，在室溫光照下會發生金屬離子間的電子轉移，使磁性與顏色發生不可逆變化。研究利用新開發的測量系統對光誘導相變進行了觀測。
結果顯示，光照後僅50飛秒便出現Mn3+的反楊-泰勒畸變（呈扁平塌陷狀的八面體結構）；190飛秒時發生Fe2+向Mn3+的電荷轉移；隨後在2.1皮秒時形成電荷轉移極化子（伴隨電子轉移而產生的電荷轉移態，為與其周圍局部晶格畸變共同作用的準粒子狀態）。
研究闡明瞭堪比「搖籃」的電荷轉移極化子在晶體內產生內壓，引發連鎖式電子轉移，最終使整個晶體發生相變的完整過程，首次在時間軸上解析了從光激發這一量子力學過程到相變發生的完整機制。
研究團隊表示，此次的研究成果不僅為理解光控物性的基本原理提供了重要依據，還將極大地有助於確立面向光寫入型記憶體、光開關器件、光量子器件等應用的材料設計指南。
光是一種能夠在萬億分之一秒以下的極短時間尺度上控制物質顏色、磁性、導電性等物性的強力外部刺激，作為下一代光器件與量子功能材料的基礎技術備受關注。
特別是以光照為契機使物質整體狀態發生切換的「光誘導相變」，是有望應用於光記憶體、光開關元件等領域的重要現象。然而，光引發的量子力學電子激發是如何發展為晶體結構變化與熱力學相變，飛秒規模別上的詳細機制此前一直未被闡明。
其原因在於，電子、原子層面的超高速現象與晶體整體的協同結構變化，在時間與空間兩個向度上均呈多階段進行，難以通過單一實驗手段同時捕捉。
本次成果作為克服了這一困難、首次成功實現同時觀測的劃時代成果而備受矚目。此外，由光生成的這種堪稱「搖籃」的電荷轉移極化子作為內部壓力源，驅動整個物質晶體發生相變，這一新概念是此前未被揭示的見解，可以說是理解光致相變現象根本原理的重要成果。
上述研究成果於3月19日發表在《Nature Materials》的網路版上。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Materials
論文：Multiscale phase nucleation driven by photoinduced polarons in a volume-changing material
DOI：10.1038/s41563-026-02521-w
