Dobbelt karakter af excitoner i det ultrahurtige regime:Atomisk eller solid-lignende?

Excitons er kvasipartikler, der kan transportere energi gennem faste stoffer. Dette gør dem vigtige for udviklingen af ​​fremtidige materialer og enheder - men mere forskning er nødvendig for at forstå deres grundlæggende adfærd og hvordan man manipulerer den. Forskere ved Politecnico di Milano i samarbejde med Institute of Photonics and Nanotechnologies IFN-CNR og en teorigruppe fra Tsukuba University (Japan) og Max Plank Institute for Structure and Dynamics of matter (Hamburg, Tyskland), har opdaget, at en exciton samtidigt kan adoptere to radikalt forskellige tegn, når den stimuleres af lys. Deres arbejde, nu udgivet i Naturkommunikation , giver afgørende ny indsigt for nuværende og fremtidig excitonisk forskning.

Excitons består af en negativt ladet elektron og et positivt ladet hul i faste stoffer. De er en såkaldt mangekropseffekt, frembragt ved interaktion mellem mange partikler, især når en stærk lyspuls rammer det faste materiale. I det sidste årti, forskere har observeret mange kropseffekter ned til den ufatteligt korte tidsskala, med andre ord milliarder af en milliarddel af et sekund.

Imidlertid, forskere har stadig ikke nået en grundlæggende forståelse af excitoner og andre mangekropseffekter på grund af kompleksiteten i den ultrahurtige elektrondynamik, når mange partikler interagerer. Forskergruppen fra Politecnico di Milano, University of Tsukuba og Max Planck Institute for the Struktur and Dynamics (MPSD) ønskede at udforske den lysinducerede ultrahurtige excitondynamik i MgF ₂ enkeltkrystaller ved at anvende topmoderne attosekund-forbigående refleksionsspektroskopi og mikroskopiske teoretiske simuleringer.

Ved at kombinere disse metoder, teamet opdagede en helt ny egenskab ved excitoner:Det faktum, at de samtidigt kan vise atomlignende og solid-lignende egenskaber. I excitoner, der viser en atomisk karakter, elektronerne og hullerne er tæt bundet sammen af ​​deres Coulomb -tiltrækning - ligesom elektronerne i atomer er bundet af kernen. I excitoner med en solid-lignende karakter, på den anden side, elektronerne bevæger sig mere frit i faste stoffer, ikke ulig bølger i havet.

"Dette er betydningsfulde fund - siger hovedforfatter Matteo Lucchini fra Politecnico di Milano - fordi forståelse af, hvordan excitoner interagerer med lys på disse ekstreme tidsskalaer, giver os mulighed for at forestille os, hvordan vi kan udnytte deres unikke egenskaber, fremme etablering af en ny klasse af elektro-optiske enheder. "

Under deres attosekund -eksperiment udført på Attosecond Research Center, det lykkedes forskerne at observere sub-femtosekund dynamikken i excitoner for første gang, med signaler bestående af langsomme og hurtige komponenter. Dette fænomen blev forklaret med avancerede teoretiske simuleringer, tilføjer medforfatter Shunsuke Sato fra MPSD og University of Tsukuba:"Vores beregninger tydeliggjorde, at signalets langsommere komponent stammer fra excitonets atomlignende karakter, mens den hurtigere komponent stammer fra den solidlignende karakter-en grund -banebrydende opdagelse, som demonstrerer co-eksistensen af ​​excitonernes dobbelttegn! "

Dette arbejde åbner en vigtig ny vej til manipulation af excitoniske såvel som materialers egenskaber ved lys. Det repræsenterer et stort skridt i retning af den dybe forståelse af ikke-ligevægts elektrondynamik i materie og giver den grundlæggende viden for udviklingen af ​​fremtidige ultrahurtige optoelektroniske enheder, elektronik, optik, spintronics, og excitonik.