1月22日，由東京大學研究生院理學系研究科的大越慎一教授、築波大學數理物質系的所裕子教授以及法國雷恩大學的Eric Collet教授領導的聯合研究團隊發表研究成果稱，爲了透過超高速X射線繞射監測晶體結構的變化，研究團隊在對光照射相變物質進行X射線繞射觀測後，透過使分散了物質的液體流動並冷卻進行初始化，再次進行光照射後便可進行測量的新方法。研究團隊將其命名爲「樣品流動型超高速時間分辨X射線繞射法」。
圖1：銣－錳－鈷－亞鐵氰化鐵化合物中的光相變，以及採用樣品流動系統進行超高速時間分辨X射線繞射示意圖（供圖：東京大學）
光存儲材料在室溫下的光相變是不可逆的現象，它由一次性的雷射照射引起，無法進行累積測量，相變的經時變化難以觀測，追蹤其結構變化一直以來被認爲是一項難題。本次開發的「樣品流動型超高速時間分辨X射線繞射法」能夠以35皮秒的時間解析度超高速監測光存儲材料的晶體變化。
光相變是利用光在2種狀態之間切換的現象，是光碟機動的光子元件、記憶體、驅動器等的重要現象。從實用的角度來看，光相變能在室溫下發生，並且能在較寬的溫度範圍内切換2種狀態——簡而言之，相變物質的溫度遲滯較寬十分重要。
爲了驗證開發的「樣品流動型超高速時間分辨X射線繞射法」的效果，研究團隊合成了一種名爲「銣－錳－鈷－亞鐵氰化鐵化合物（Rb0.94 (Mn0.94Co0.06)[Fe(CN) 6] 0.98）」的新物質，並測定了其在室溫下光誘導的相變現象。
測量使用了歐洲輻射設施（ESRF：European Synchrotron Radiation Facility）的光束線，並透過所開發的「樣品流動型超高速時間分辨X射線繞射」，觀測到了銣－錳－鈷－亞鐵氰化鐵化合物的光相變的晶體結構變化。
觀測結果表明，這種物質呈現電荷轉移型相變，在高溫側呈現MnII－NC－FeIII電荷態（HT相），冷卻後呈現向MnIII－NC－FeII電荷態（LT相）的相變。冷卻時，在負20℃（253K）時從HT相轉變爲LT相，反之，升溫時，在正55℃（328K）時從LT相轉變爲HT相。
這種物質的溫度遲滯的溫度範圍爲75K，這是一個較大的值，超過了室溫範圍。該物質能夠在室溫下透過雷射照射誘導從LT相轉變爲HT相，雷射照射區域出現顏色變化並生成高溫相。
未來，研究團隊期望透過利用這一「樣品流動型超高速時間分辨X射線繞射法」，推動對光寫入、光擦除等不可逆現象的時間動力學的研究。
此外，法國國家科學研究中心（CNRS）與東京大學、雷恩大學於2022年設立了法國CNRS國際聯合研究所DYNACOM這一研究光相變現象高速時間動力學的國際機構，並與歐洲輻射設施等展開了合作研究。大越教授擔任該機構的主任，Collet特教授擔任副主任，所教授也兼任該機構職務從事研究。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Ultrafast and persistent photoinduced phase transition at room temperature monitored by streaming powder diffraction
DOI：10.1038/s41467-023-44440-3
