光で新しい秩序が生まれ、物質状態が変わる過程を観測~金属―有機構造体(MOF)が拓く非平衡材料科学の新展開~

2026-07-29 東京科学大学

東京科学大学を中心とする研究グループは、金属―有機構造体(MOF)において、光照射後約30フェムト秒という超高速で新たな物質状態(光誘起状態)が形成される過程を観測した。6フェムト秒の時間分解反射分光と理論解析を組み合わせた結果、光照射直後に電子間の結合強度が周期的に変化する「結合秩序波」を伴う過渡状態が現れ、その後、格子変調を経て通常の温度変化では実現しない光誘起状態へ移行することを明らかにした。この状態は反転対称性が破れた極性状態である可能性も示され、光による物性制御の新たな仕組みを示している。MOFは構成要素を自在に設計できるため、本成果は光応答材料や電子材料の設計指針となるほか、光スイッチング素子や超高速光メモリなどの次世代デバイスへの応用が期待される。今後は時間分解X線回折や第二高調波発生測定などにより、構造変化や極性状態の実証を進める予定である。


図2. 6フェムト秒時間分解分光で観測した光照射直後の電子状態変化。(a)光照射後の過渡反射率変化スペクトル[用語9]。(b)零点交差エネルギー((a)中の赤矢印)の時間変化。零点交差エネルギーは約30フェムト秒で急速に変化し、光誘起状態の超高速形成を示唆している。

<関連情報>

金属有機構造体における結合次数波によって駆動される光誘起隠れ状態の超高速形成 Ultrafast Formation of a Photoinduced Hidden State Driven by a Bond-Order Wave in a Metal-Organic Framework

Samiran Banu, Tatsuya Amano, Takahisa Kato, Kou Takubo, Yoichi Okimoto, Shinya Koshihara, Yohei Kawakami, Hirotake Itoh, Wataru Kosaka
Physical Review Letters  Publishe 22 July, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/x43y-61c1

Abstract

Sub-10-fs pump-probe reflectivity measurements combined with model calculations reveal the emergence of a photoinduced hidden (PH) state in a donor-acceptor-type metal-organic framework. Transient spectra exhibit an additional absorption band developing on a ≈30  fs timescale, signaling the ultrafast formation of the PH state. Time-frequency analysis captures spectral-weight transfer between phonons at ≈500  cm−1 and 600  cm−1, reflecting coherent oscillatory dynamics that accompany the formation of the PH state. Model calculations indicate that the PH state is a metastable polar state stabilized by bond-order-wave-driven lattice modulation, suggesting electronic ferroelectricity. These findings establish metal-organic frameworks as a versatile platform for exploring nonequilibrium quantum states.

0403電子応用
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