Ultrahurtige øjebliksbilleder af afslappende elektroner i faste stoffer

Når røntgenstråler skinner på faste materialer eller store molekyler, en elektron skubbes væk fra sit oprindelige sted nær atomkernen, efterlader et hul. I lang tid, forskere har mistanke om, at den frigjorte elektron og det positivt ladede hul danner en ny slags kvasipartikel-kendt som 'core-exciton'. Men indtil videre, der har endnu ikke været et reelt bevis på dets eksistens. Forskere har en bred vifte af værktøjer til at spore excitoner i halvledere i realtid. De genereres af almindeligt lys, og kan anvendes i forskellige applikationer inden for optoelektronik og mikroelektronik. Tværtimod, kerne-excitoner er ekstremt kortvarige, og indtil nu, ingen teknik var tilgængelig til at spore deres bevægelse og udlede deres egenskaber.

Et team af forskere ledet af Dr. Eleftherios Goulielmakis, leder af forskningsgruppen "Attoelektronik" ved Max Planck Institute of Quantum Optics, har været i stand til at fange dynamikken i kerne-excitoner i faste stoffer i realtid. Ved hjælp af røntgenstråler fra kun få hundrede attosekunder (1 attosekund =0,000000000000000001 sekunder) efterfulgt af optiske lysglimt af lignende varighed (et værktøj udviklet af gruppen sidste år) skaffer forskerne et ultrahurtigt kamera, der tillod dem at tage øjebliksbilleder af de kortvarige excitoner i siliciumdioxid for første gang. Værket er offentliggjort i denne uges udgave af Videnskab magasin.

"Kerne-excitoner lever i meget kort tid, fordi deres interaktioner med andre partikler i det faste stof hurtigt stopper deres bevægelse, sagde Antoine Moulet, førende forfatter i dette værk. "I kvantemekanikken siger vi, at excitonen mister sin sammenhæng, "tilføjer han.

Et centralt værktøj til at spore dynamikken i kerne-excitoner har været udviklingen af ​​attosecond lysglimt i det optiske område. Værket blev sidste år udgivet af Attoelectronics -gruppen.

"I vores eksperiment bruger vi røntgenblink til at oplyse kerne-excitoner i faste stoffer, der henviser til, at de optiske attosekundpulser giver mulighed for at løse denne bevægelse i realtid, "siger Julien Bertrand, en tidligere forsker i gruppen af ​​Goulielmakis, i øjeblikket adjunkt ved Laval University, Canada. "Kombinationen af ​​begge tillod os at tage snapshots af bevægelsen af ​​kerne-excitoner, der levede i cirka 750 attosekunder."

Men undersøgelsen var ikke begrænset til at fange disse flygtige bevægelser inde i faste stoffer. "Vi var i stand til at erhverve kvantitativ information om egenskaberne af kerne-excitoner, såsom deres miniaturedimension, der blot var større end et enkelt atom, eller hvor let de polariseres af synligt lys, "siger Goulielmakis." Vores teknik fremmer excitonik, dvs. målingen, kontrol og anvendelse af excitoner i røntgenregimet. Men samtidig, det er et generelt redskab til at studere ultrahurtige røntgeninitierede processer i faste stoffer på deres naturlige tidsskalaer. En sådan kapacitet har aldrig før været mulig inden for røntgenvidenskab. "

Teamet forestiller sig nu anvendelser af deres teknik til at studere ultrahurtige processer ved grænseflader af faste stoffer, og nye ruter til realisering af ultrahurtige switches til røntgenstråling baseret på optiske lysfelter. "Med røntgenfrie elektronlasere, der hurtigt formerer sig rundt om i verden, evnen til at kontrollere røntgenstråler med synligt lys bliver stadig vigtigere, ”siger Goulielmakis.