东京大学研究生院理学系研究科的大越慎一教授、雷恩大学的Eric Collett教授、Marco Cammarata研究员、筑波大学数理物质系的所裕子教授等人组成的法国国家科学研究中心国际联合研究所DYNACOM（Dynamical Control of Materials）研究团队，与美国SLAC国家加速器实验室、欧洲同步辐射设施合作，全球首次开发出了利用X射线自由电子激光照射，超高速同时观测X射线吸收与衍射的光谱系统，并通过该系统成功完成了光诱导相变的观测实验。
图1 光诱导产生的畸变传播到整个晶体的示意图（供图：东京大学）
实验采用的材料是大越教授团队于2002年首次报告的化合物——铷-锰-铁普鲁士蓝（RbMn[Fe(CN)₆]）中的一种，是将该化合物中的部分Mn（锰）替换为Co（钴）形成的物质。
已知这种材料的光诱导电荷转移相变性能，在室温光照下会发生金属离子间的电子转移，使磁性与颜色发生不可逆变化。研究利用新开发的测量系统对光诱导相变进行了观测。
结果显示，光照后仅50飞秒便出现Mn3+的反杨-泰勒畸变（呈扁平塌陷状的八面体结构）；190飞秒时发生Fe2+向Mn3+的电荷转移；随后在2.1皮秒时形成电荷转移极化子（伴随电子转移而产生的电荷转移态，为与其周围局部晶格畸变共同作用的准粒子状态）。
研究阐明了堪比“摇篮”的电荷转移极化子在晶体内产生内压，引发连锁式电子转移，最终使整个晶体发生相变的完整过程，首次在时间轴上解析了从光激发这一量子力学过程到相变发生的完整机制。
研究团队表示，此次的研究成果不仅为理解光控物性的基本原理提供了重要依据，还将极大地有助于确立面向光写入型存储器、光开关器件、光量子器件等应用的材料设计指南。
光是一种能够在万亿分之一秒以下的极短时间尺度上控制物质颜色、磁性、导电性等物性的强力外部刺激，作为下一代光器件与量子功能材料的基础技术备受关注。
特别是以光照为契机使物质整体状态发生切换的“光诱导相变”，是有望应用于光存储器、光开关元件等领域的重要现象。然而，光引发的量子力学电子激发是如何发展为晶体结构变化与热力学相变，飞秒量级别上的详细机理此前一直未被阐明。
其原因在于，电子、原子层面的超高速现象与晶体整体的协同结构变化，在时间与空间两个维度上均呈多阶段进行，难以通过单一实验手段同时捕捉。
本次成果作为克服了这一困难、首次成功实现同时观测的划时代成果而备受瞩目。此外，由光生成的这种堪称“摇篮”的电荷转移极化子作为内部压力源，驱动整个物质晶体发生相变，这一新概念是此前未被揭示的见解，可以说是理解光致相变现象根本原理的重要成果。
上述研究成果于3月19日发表在《Nature Materials》的网络版上。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Materials
论文：Multiscale phase nucleation driven by photoinduced polarons in a volume-changing material
DOI：10.1038/s41563-026-02521-w
