Quando i raggi X brillano su materiali solidi o grandi molecole, un elettrone viene allontanato dal suo posto originale vicino al nucleo dell'atomo, lasciando un buco dietro. Per molto tempo, gli scienziati hanno sospettato che l'elettrone liberato e la lacuna caricata positivamente formino un nuovo tipo di quasiparticella, nota come "core-exciton". Ma così lontano, non c'è ancora stata una vera prova della sua esistenza. Gli scienziati dispongono di un'ampia gamma di strumenti per tracciare gli eccitoni nei semiconduttori in tempo reale. Quelli sono generati dalla luce ordinaria, e può essere impiegato in varie applicazioni in optoelettronica e microelettronica. Anzi, core-eccitoni sono estremamente di breve durata, e fino ad ora, non era disponibile alcuna tecnica per tracciare il loro movimento e dedurne le proprietà.

Un team di scienziati guidato dal Dr. Eleftherios Goulielmakis, capo del gruppo di ricerca "Attoelectronics" presso il Max Planck Institute of Quantum Optics, sono stati in grado di catturare la dinamica degli eccitoni core nei solidi in tempo reale. Utilizzando lampi di raggi X della durata di poche centinaia di attosecondi (1 attosecondo =0.000000000000000001 secondi) seguiti da lampi di luce ottica di durata simile (uno strumento sviluppato dal gruppo lo scorso anno) gli scienziati hanno ottenuto una fotocamera ultraveloce che ha permesso loro di scattare istantanee di per la prima volta gli eccitoni a vita breve nel biossido di silicio. L'opera è pubblicata nel numero di questa settimana del Scienza rivista.

"Gli eccitoni centrali vivono per un tempo molto breve perché le loro interazioni con altre particelle nel solido arrestano rapidamente il loro movimento, " disse Antoine Moulet, autore principale di questo lavoro. "In meccanica quantistica diciamo che l'eccitone perde la sua coerenza, " Aggiunge.

Uno strumento chiave per tracciare la dinamica degli eccitoni centrali è stato lo sviluppo di lampi di luce ad attosecondi nel campo ottico. Il lavoro è stato pubblicato dal gruppo Attoelectronics lo scorso anno.

"Nel nostro esperimento usiamo lampi di raggi X per illuminare gli eccitoni del nucleo nei solidi, considerando che gli impulsi ottici ad attosecondi offrono la possibilità di risolvere questo movimento in tempo reale, "dice Julien Bertrand, un ex ricercatore nel gruppo di Goulielmakis, attualmente assistente professore presso la Laval University, Canada. "La combinazione di entrambi ci ha permesso di scattare istantanee del movimento di core-eccitoni che sono vissuti per circa 750 attosecondi".

Ma lo studio non si è limitato a catturare questi movimenti fugaci all'interno dei solidi. "Siamo stati in grado di acquisire informazioni quantitative sulle proprietà degli eccitoni centrali come la loro dimensione in miniatura che era semplicemente più grande di quella di un singolo atomo, o quanto facilmente sono polarizzati dalla luce visibile, " dice Goulielmakis. "La nostra tecnica avanza l'eccitonica, cioè la misura, il controllo e l'applicazione degli eccitoni nel regime radiografico. Ma allo stesso tempo, è uno strumento generale per studiare i processi avviati da raggi X ultraveloci nei solidi sulle loro scale temporali naturali. Una tale capacità non è mai stata possibile prima nella scienza dei raggi X".

Il team prevede ora applicazioni della loro tecnica per lo studio di processi ultraveloci alle interfacce di solidi, e nuovi percorsi per realizzare interruttori ultraveloci per radiazioni a raggi X basati su campi luminosi ottici. "Con i laser a elettroni liberi a raggi X che proliferano rapidamente in tutto il mondo, la capacità di controllare i raggi X con la luce visibile diventa sempre più importante, "dice Goulielmakis.