Wanneer röntgenstralen op vaste materialen of grote moleculen schijnen, een elektron wordt weggeduwd van zijn oorspronkelijke plaats nabij de kern van het atoom, een gat achterlatend. Voor een lange tijd, wetenschappers vermoedden dat het vrijgekomen elektron en het positief geladen gat een nieuw soort quasideeltje vormen, bekend als 'kernexciton'. Maar tot nu toe, er is nog geen echt bewijs van zijn bestaan. Wetenschappers hebben een breed scala aan tools om excitonen in halfgeleiders in realtime te volgen. Die worden opgewekt door gewoon licht, en kan worden gebruikt in verschillende toepassingen in de opto-elektronica en micro-elektronica. Integendeel, core-excitons zijn extreem kortstondig, en tot nu toe, er was geen techniek beschikbaar om hun beweging te volgen en hun eigenschappen af ​​te leiden.

Een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Eleftherios Goulielmakis, hoofd van de onderzoeksgroep "Attoelectronics" aan het Max Planck Institute of Quantum Optics, hebben de dynamiek van kernexcitonen in vaste stoffen in realtime kunnen vastleggen. Met behulp van flitsen van röntgenstraling van slechts enkele honderden attoseconden (1 attoseconde =0.000000000000000001 seconden), gevolgd door optische lichtflitsen van vergelijkbare duur (een hulpmiddel dat de groep vorig jaar heeft ontwikkeld), verkrijgen de wetenschappers een ultrasnelle camera waarmee ze snapshots kunnen maken van de kortstondige excitonen in siliciumdioxide voor het eerst. Het werk is gepubliceerd in het nummer van deze week van de Wetenschap tijdschrift.

"Kernexcitonen leven voor een zeer korte tijd omdat hun interactie met andere deeltjes in de vaste stof hun beweging snel stopt, " zei Antoine Moulet, hoofdauteur in dit werk. "In de kwantummechanica zeggen we dat het exciton zijn coherentie verliest, " hij voegt toe.

Een belangrijk hulpmiddel om de dynamiek van kernexcitons te volgen, is de ontwikkeling van attoseconde lichtflitsen in het optische bereik. Het werk werd vorig jaar gepubliceerd door de groep Attoelectronics.

"In ons experiment gebruiken we röntgenflitsen om kernexcitonen in vaste stoffen te verlichten, overwegende dat de optische attoseconde pulsen de mogelijkheid bieden om deze beweging in realtime op te lossen, " zegt Julien Bertrand, een voormalig onderzoeker in de groep van Goulielmakis, momenteel assistent-professor aan de Laval University, Canada. "Door de combinatie van beide konden we snapshots maken van de beweging van kernexcitons die ongeveer 750 attoseconden duurden."

Maar de studie was niet beperkt tot het vastleggen van deze vluchtige bewegingen in vaste stoffen. "We waren in staat om kwantitatieve informatie te verkrijgen over de eigenschappen van kern-excitonen, zoals hun miniatuurafmetingen die slechts groter waren dan die van een enkel atoom, of hoe gemakkelijk ze worden gepolariseerd door zichtbaar licht, " zegt Goulielmakis. "Onze techniek bevordert de excitoniek, d.w.z. de meting, de controle en de toepassing van excitonen in het röntgenregime. Maar op het zelfde moment, het is een algemeen hulpmiddel voor het bestuderen van ultrasnelle door röntgenstraling geïnitieerde processen in vaste stoffen op hun natuurlijke tijdschalen. Een dergelijke mogelijkheid is nooit eerder mogelijk geweest in de röntgenwetenschap."

Het team overweegt nu toepassingen van hun techniek voor het bestuderen van ultrasnelle processen op grensvlakken van vaste stoffen, en nieuwe routes om ultrasnelle schakelaars voor röntgenstraling te realiseren op basis van optische lichtvelden. "Met röntgenvrije elektronenlasers die zich snel over de hele wereld verspreiden, het vermogen om röntgenstralen met zichtbaar licht te controleren wordt steeds belangrijker, ' zegt Goulielmakis.