Excitonen zijn quasideeltjes die energie kunnen transporteren door vaste stoffen. Dit maakt ze belangrijk voor de ontwikkeling van toekomstige materialen en apparaten, maar er is meer onderzoek nodig om hun fundamentele gedrag te begrijpen en te manipuleren. Onderzoekers van Politecnico di Milano in samenwerking met het Institute of Photonics and Nanotechnologies IFN-CNR en een theoriegroep van de Tsukuba University (Japan) en het Max Plank Institute for the Structure and Dynamics of matter (Hamburg, Duitsland), hebben ontdekt dat een exciton tegelijkertijd twee radicaal verschillende karakters kan aannemen wanneer het wordt gestimuleerd door licht. Hun werk, nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie , levert cruciale nieuwe inzichten op voor huidig ​​en toekomstig onderzoek naar excitonen.

Excitonen bestaan ​​uit een negatief geladen elektron en een positief geladen gat in vaste stoffen. Ze zijn een zogenaamd veel-lichamen-effect, geproduceerd door de interactie van vele deeltjes, vooral wanneer een sterke lichtpuls het vaste materiaal raakt. In het afgelopen decennium, onderzoekers hebben veel-lichaamseffecten waargenomen tot op de onvoorstelbaar korte tijdschaal van attoseconden, met andere woorden miljardsten van een miljardste van een seconde.

Echter, wetenschappers hebben nog steeds geen fundamenteel begrip van excitonen en andere veellichameneffecten bereikt vanwege de complexiteit van de ultrasnelle elektronendynamica wanneer veel deeltjes op elkaar inwerken. Het onderzoeksteam van Politecnico di Milano, de Universiteit van Tsukuba en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) wilden de door licht geïnduceerde ultrasnelle excitondynamiek in MgF onderzoeken ₂ enkele kristallen door gebruik te maken van de modernste attoseconde transiënte reflectiespectroscopie en microscopische theoretische simulaties.

Door deze methoden te combineren, het team ontdekte een geheel nieuwe eigenschap van excitonen:het feit dat ze tegelijkertijd atomaire en vaste eigenschappen kunnen vertonen. In excitonen met een atomair karakter, de elektronen en gaten zijn stevig aan elkaar gebonden door hun Coulomb-aantrekkingskracht - net zoals de elektronen in atomen zijn gebonden door de kern. In excitonen met een solide karakter, anderzijds, de elektronen bewegen vrijer in vaste stoffen, niet zoals golven in de oceaan.

"Dit zijn belangrijke bevindingen - zegt hoofdauteur Matteo Lucchini van de Politecnico di Milano - omdat we begrijpen hoe excitonen op deze extreme tijdschalen interageren met licht, ons in staat stelt ons voor te stellen hoe we hun unieke kenmerken kunnen exploiteren, het bevorderen van de oprichting van een nieuwe klasse van elektro-optische apparaten."

Tijdens hun attoseconde-experiment uitgevoerd in het Attosecond Research Center, slaagden de onderzoekers er voor het eerst in om de sub-femtoseconde dynamiek van excitonen te observeren, met signalen bestaande uit langzame en snelle componenten. Dit fenomeen werd verklaard met geavanceerde theoretische simulaties, voegt co-auteur Shunsuke Sato van de MPSD en de Universiteit van Tsukuba toe:"Onze berekeningen verduidelijkten dat de langzamere component van het signaal afkomstig is van het atomaire karakter van het exciton, terwijl de snellere component afkomstig is van het vaste karakter - een grond -brekende ontdekking, die het naast elkaar bestaan ​​van de dubbele karakters van excitonen aantoont!"

Dit werk opent een belangrijke nieuwe weg voor de manipulatie van zowel excitonische als materiaaleigenschappen door licht. Het vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van een diepgaand begrip van de niet-evenwichtselektronendynamica in materie en biedt de fundamentele kennis voor de ontwikkeling van toekomstige ultrasnelle opto-elektronische apparaten, elektronica, optiek, spintronica, en excitonen.