1月22日，由东京大学研究生院理学系研究科的大越慎一教授、筑波大学数理物质系的所裕子教授以及法国雷恩大学的Eric Collet教授领导的联合研究团队发表研究成果称，为了通过超高速X射线衍射监测晶体结构的变化，研究团队在对光照射相变物质进行X射线衍射观测后，通过使分散了物质的液体流动并冷却进行初始化，再次进行光照射后便可进行测量的新方法。研究团队将其命名为“样品流动型超高速时间分辨X射线衍射法”。
图1：铷－锰－钴－亚铁氰化铁化合物中的光相变，以及采用样品流动系统进行超高速时间分辨X射线衍射示意图（供图：东京大学）
光存储材料在室温下的光相变是不可逆的现象，它由一次性的激光照射引起，无法进行累积测量，相变的经时变化难以观测，追踪其结构变化一直以来被认为是一项难题。本次开发的“样品流动型超高速时间分辨X射线衍射法”能够以35皮秒的时间分辨率超高速监测光存储材料的晶体变化。
光相变是利用光在2种状态之间切换的现象，是光驱动的光子器件、存储器、驱动器等的重要现象。从实用的角度来看，光相变能在室温下发生，并且能在较宽的温度范围内切换2种状态——简而言之，相变物质的温度迟滞较宽十分重要。
为了验证开发的“样品流动型超高速时间分辨X射线衍射法”的效果，研究团队合成了一种名为“铷－锰－钴－亚铁氰化铁化合物（Rb0.94 (Mn0.94Co0.06)[Fe(CN) 6] 0.98）”的新物质，并测定了其在室温下光诱导的相变现象。
测量使用了欧洲辐射设施（ESRF：European Synchrotron Radiation Facility）的光束线，并通过所开发的“样品流动型超高速时间分辨X射线衍射”，观测到了铷－锰－钴－亚铁氰化铁化合物的光相变的晶体结构变化。
观测结果表明，这种物质呈现电荷转移型相变，在高温侧呈现MnII－NC－FeIII电荷态（HT相），冷却后呈现向MnIII－NC－FeII电荷态（LT相）的相变。冷却时，在负20℃（253K）时从HT相转变为LT相，反之，升温时，在正55℃（328K）时从LT相转变为HT相。
这种物质的温度迟滞的温度范围为75K，这是一个较大的值，超过了室温范围。该物质能够在室温下通过激光照射诱导从LT相转变为HT相，激光照射区域出现颜色变化并生成高温相。
未来，研究团队期望通过利用这一“样品流动型超高速时间分辨X射线衍射法”，推动对光写入、光擦除等不可逆现象的时间动力学的研究。
此外，法国国家科学研究中心（CNRS）与东京大学、雷恩大学于2022年设立了法国CNRS国际联合研究所DYNACOM这一研究光相变现象高速时间动力学的国际机构，并与欧洲辐射设施等展开了合作研究。大越教授担任该机构的主任，Collet特教授担任副主任，所教授也兼任该机构职务从事研究。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Ultrafast and persistent photoinduced phase transition at room temperature monitored by streaming powder diffraction
DOI：10.1038/s41467-023-44440-3
