過渡吸収（Transient Absorbance）って何？
―フェムト秒レーザーで「光を吸ったあとの一瞬」を見る―
1. 過渡吸収の基本イメージ（やさしく）
過渡吸収（Transient absorbance / Transient absorption）は、
分子や材料が 光を吸ってからのわずかな時間（フェムト秒〜マイクロ秒） に
「何が起こっているか」を調べる方法です。
- 普通の吸収スペクトル：
- 落ち着いた状態（基底状態）の吸収 → 静止画
- 過渡吸収スペクトル：
- レーザーパルスでたたいた「直後」からの変化 → 超高速スローモーション動画
というイメージです。
光を吸ったあとの
- 励起状態（ワクワクした状態）の寿命
- 電子・正孔の移動（電荷移動）
- 中間体（ラジカル、イオンなど）の発生と消滅
を、時間と波長の両方で追いかけることができます。
2. 時間スケールの感覚：フェムト秒〜マイクロ秒
過渡吸収測定では、いろいろな時間スケールを使い分けます。
| 単位 | 記号 | 秒にすると | よく見る現象の例 |
|---|---|---|---|
| フェムト秒 | fs | 10⁻¹⁵ 秒 | 電子の動き、超高速な構造変化 |
| ピコ秒 | ps | 10⁻¹² 秒 | 励起状態の緩和、最初の電荷移動 |
| ナノ秒 | ns | 10⁻⁹ 秒 | 一重項・三重項の寿命、蛍光・燐光 |
| マイクロ秒 | µs | 10⁻⁶ 秒 | 長寿命の電荷分離状態やラジカル |
フェムト秒レーザーを使った過渡吸収では、
fs〜ns の超高速ダイナミクスを主に観測し、
場合によっては µs 以上までの変化を追跡することもあります。
3. 論文で見る「過渡吸収」：3つの具体例
ここからは、ファイルに含まれる論文の中から、
過渡吸収がどのように使われているかを、
一般向けにかみくだいて紹介します。:contentReference[oaicite:1]{index=1}
3-1. 例① ジャヌス構造2次元材料の励起子ダイナミクス
Zheng et al., Nano Letters 2021
どんな材料？
- 「ジャヌス（Janus）構造」と呼ばれる二次元半導体
- MoSSe や WSSe などの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）
- 片側が S、もう片側が Se という「表と裏で構造が違う」層
この非対称構造のため、材料内部に内蔵電気双極子（内蔵電場）が生まれます。
過渡吸収で何を見た？
- 定常吸収・発光で「どのエネルギーの光を吸収・発光するか」を測定
- さらに 過渡吸収（Transient absorption） を使って、
- 励起子（電子と正孔のペア）がどれくらいの速さでできるか
- どれくらいの時間生きてから消えるか
を時間分解で調べました。
わかったこと（イメージ）
- ジャヌス構造の MoSSe・WSSe では、
通常の TMD よりも約30% 早く励起子が生成する
→ 内蔵電場により、電子と格子（フォノン）の相互作用が強くなるため - 一方で、励起子の放射寿命（光ってから消えるまでの時間）は長くなる
→ 電子と正孔の波動関数が空間的に少し離れ、
一度できた励起子が長く生きることを示唆
つまり：
過渡吸収測定によって、
「励起子が早く生まれて、長く生きる」という
ジャヌス構造材料ならではの性質が明らかになりました。
これは、次世代の光デバイスや量子光学への応用に重要な知見です。
3-2. 例② プラズモニック×強誘電体ハイブリッドで光電流を制御
Wang et al., Nature Communications 2016
どんなデバイス？
- 金ナノ粒子アレイ（プラズモニック構造）＋
強誘電体 Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）を組み合わせたハイブリッド構造 - 通常の半導体の代わりに強誘電体を使い、
その分極方向を変えることで光電流を制御しよう、という発想です。
過渡吸収が登場するポイント
- 研究の目的：
- プラズモニック構造とPZTの界面で、
どのように電荷が移動・輸送されているのかを理解すること - そこで、フェムト秒過渡吸収測定を用いて、
- 金ナノ粒子から PZT への電荷移動の効率
- その後の電荷の生き残り時間（寿命）
を時間分解で追跡しています。
結果（かみくだき）
- プラズモニック構造と PZT の間に、
有効な電荷移動が起きていることを実験的に確認 - PZT の分極方向を変えることで、光電流が1桁近く変化
→ 光をエネルギーに変える効率を、「電場のスイッチ」で調整できる
まとめると：
フェムト秒過渡吸収は、
「金ナノ粒子で発生したエネルギーが、PZTに電子としてどれくらい移っているか」
を直接見せてくれる“顕微鏡”のような役割を果たしています。
これにより、将来の高効率な光電変換・水素生成などの光電気化学デバイス設計に
大きなヒントが得られます。
3-3. 例③ CO₂吸着材の「ついたり離れたり」をIR過渡吸収で追う
Coenen et al., Journal of CO₂ Utilization 2018
背景
- CO₂ を効率よく吸着・放出できる材料は、
二酸化炭素回収・利用（CCUS）技術にとって重要です。 - この論文では、ハイドロタルサイト系材料上の
CO₂ と H₂O の吸着・脱離を、その場 IR 測定（in-situ IR）で調べています。
「過渡吸収」の意味
- IR 領域の炭酸種（カルボネート）の吸収バンドが、
時間とともにどう変化するか（＝過渡吸収）を追跡 - これにより、
- どのような形の炭酸種（特に 二座配位の炭酸種）が
可逆的な吸着量の主役になっているか - H₂O の存在が、炭酸種の分解や重炭酸の形成にどう影響するか
などを明らかにしています。
ポイント：
ここでは「フェムト秒レーザー」ではなく、
「IR 吸収の時間変化（transient absorbance）」を用いて、
CO₂ のついたり離れたりの速度とメカニズムをモデル化しています。
光だけでなく、「赤外吸収スペクトルの時間変化」も
広い意味での過渡吸収解析として役立つ例です。
4. まとめ（日本語）
- 過渡吸収は、光を吸ったあとの超高速な変化を
時間と波長の両方で見るための強力な工具です。 Transient Absorbance_classic.txtに含まれる論文では、:contentReference[oaicite:2]{index=2}- ジャヌス構造2D材料の励起子ダイナミクス解明（Zheng et al., Nano Lett.）
- プラズモニック×強誘電体ハイブリッドでの電荷移動制御（Wang et al., Nat. Commun.）
- CO₂吸着材の炭酸種の出入りをIR過渡吸収で解析（Coenen et al., J. CO₂ Util.）
など、固体物理・光電変換・環境材料といった幅広い分野で活用されています。
一言で言うと、
過渡吸収は「光を吸った分子や材料の、その後のストーリー」を フェムト秒からマイクロ秒まで“覗き見る”ための技術です。
Transient Absorbance: Watching Ultrafast Stories of Light-Excited Materials
1. Basic Idea
Transient absorbance (transient absorption) is a technique that reveals
what happens after a material absorbs light, on time scales from
femtoseconds (fs) to microseconds (µs) and beyond.
- Steady-state absorption → a single snapshot of the ground state
- Transient absorption → a time-resolved movie of
- excited states,
- charge transfer,
- and reaction intermediates
The file Transient Absorbance_classic.txt contains several papers that
demonstrate how transient absorbance is used in different research fields.:contentReference[oaicite:3]{index=3}
2. Example 1 – Excitons in Janus 2D Semiconductors
Zheng et al., Nano Letters 2021
System
- Janus transition metal dichalcogenide monolayers: MoSSe and WSSe
- Top and bottom chalcogen layers are different (S vs. Se)
- This asymmetry creates a built-in dipole in the monolayer
What did transient absorption show?
By combining steady-state absorption/PL with time-resolved transient absorption,
the authors investigated exciton dynamics:
- Excitons in Janus structures form about 30% faster than in pristine TMDs
→ attributed to enhanced electron–phonon interaction due to the built-in dipole - Radiative recombination lifetimes are significantly longer
→ consistent with partial spatial separation of electron and hole wavefunctions
Take-home message
Transient absorbance directly reveals that in Janus MoSSe and WSSe,
excitons both form faster and live longer,
providing key insight into their optical properties and potential device applications.
3. Example 2 – Tuning Charge Transfer in Plasmonic–Ferroelectric Hybrids
Wang et al., Nature Communications 2016
System
- Arrays of gold nanoparticles (plasmonic structures)
combined with ferroelectric PZT (Pb(Zr,Ti)O₃) films on ITO substrates - Instead of a conventional semiconductor/electrolyte interface,
they use a ferroelectric/electrolyte interface for photoelectrochemistry.
Role of femtosecond transient absorbance
The goal is to understand how efficiently charges are transferred and transported
between the plasmonic nanostructures and PZT.
- Femtosecond transient absorbance measurements were performed in different device configurations.
- They observed effective charge transfer from the gold nanoparticle arrays to PZT.
- By switching the ferroelectric polarization of PZT,
the photocurrent could be tuned by nearly one order of magnitude.
Take-home message
Transient absorbance works as a “time-resolved microscope” for charge transfer,
showing how plasmon-generated carriers move into the ferroelectric layer.
This knowledge helps design versatile and tunable systems for solar energy and photocatalysis.
4. Example 3 – CO₂ Adsorption on Hydrotalcites Probed by IR Transient Absorbance
Coenen et al., Journal of CO₂ Utilization 2018
System
- Potassium-promoted hydrotalcite used as a CO₂ sorbent
- Studied using in-situ infrared (IR) spectroscopy at elevated temperatures
Transient absorbance in the IR
Here, “transient absorbance” refers to the time-dependent changes in
IR absorption bands corresponding to different carbonate species:
- Mainly bidentate carbonate species are responsible for cyclic CO₂ uptake and release.
- H₂O enhances decomposition of bidentate carbonates on stronger basic sites,
and bi-carbonate formation is favoured at lower temperatures (~300 °C). - The transient absorbance evolution of these bands is used to develop
detailed kinetic models for reversible adsorption/desorption.
Take-home message
Even in the infrared region, time-resolved changes in absorbance
provide valuable kinetic information.
Transient absorbance helps us understand how CO₂ binds to and leaves sorbent materials,
which is important for carbon capture and utilization technologies.
5. Overall Summary (English)
Across these examples from Transient Absorbance_classic.txt,:contentReference[oaicite:4]{index=4}
- Nano Lett. (Zheng et al.) –
Transient absorption clarifies how excitons form and decay in advanced 2D materials. - Nat. Commun. (Wang et al.) –
Femtosecond transient absorbance reveals charge transfer pathways
in plasmonic–ferroelectric hybrids, enabling tunable photoelectrochemical responses. - J. CO₂ Util. (Coenen et al.) –
Time-resolved IR absorbance tracks carbonate species during CO₂ adsorption and desorption,
supporting kinetic modelling of sorbent materials.
In short, transient absorbance is a powerful and versatile tool
for watching how materials use light and handle charges,
from femtoseconds in solid-state devices to seconds in chemical sorption processes.
参考文献 / References
- Zheng, T.; Lin, Y.-C.; Yu, Y.; Valencia-Acuna, P.; Puretzky, A. A.; Torsi, R.; Liu, C.; Ivanov, I. N.; Duscher, G.; Geohegan, D. B.; Ni, Z.; Xiao, K.; Zhao, H.
“Excitonic Dynamics in Janus MoSSe and WSSe Monolayers.”
Nano Letters 2021, 21 (2), 931–937.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03412.:contentReference[oaicite:5]{index=5} - Wang, Z. J.; Cao, D. W.; Wen, L. Y.; Xu, R.; Obergfell, M.; Mi, Y.; Zhan, Z. B.; Nasori, N.; Demsar, J.; Lei, Y.
“Manipulation of Charge Transfer and Transport in Plasmonic-Ferroelectric Hybrids for Photoelectrochemical Applications.”
Nature Communications 2016, 7, 10348.
DOI: 10.1038/ncomms10348.:contentReference[oaicite:6]{index=6} - Coenen, K.; Gallucci, F.; Mezari, B.; Hensen, E.; van Sint Annaland, M.
“An in-situ IR Study on the Adsorption of CO₂ and H₂O on Hydrotalcites.”
Journal of CO₂ Utilization 2018, 24, 228–239.
DOI: 10.1016/j.jcou.2018.01.008.:contentReference[oaicite:7]{index=7}
