Gli eccitoni sono quasiparticelle che possono trasportare energia attraverso sostanze solide. Ciò li rende importanti per lo sviluppo di materiali e dispositivi futuri, ma sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere il loro comportamento fondamentale e come manipolarlo. Ricercatori del Politecnico di Milano in collaborazione con l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie IFN-CNR e un gruppo di teoria dell'Università di Tsukuba (Giappone) e del Max Plank Institute for the Structure and Dynamics of Materia (Amburgo, Germania), hanno scoperto che un eccitone può assumere contemporaneamente due caratteri radicalmente diversi quando è stimolato dalla luce. Il loro lavoro, ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura , fornisce nuove informazioni cruciali per la ricerca sull'eccitonica attuale e futura.

Gli eccitoni sono costituiti da un elettrone caricato negativamente e una lacuna carica positivamente nei solidi. Sono un cosiddetto effetto a molti corpi, prodotto dall'interazione di molte particelle, soprattutto quando un forte impulso di luce colpisce il materiale solido. Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno osservato molti effetti sul corpo fino alla scala temporale inimmaginabilmente breve degli attosecondi, in altre parole miliardesimi di miliardesimo di secondo.

Però, gli scienziati non hanno ancora raggiunto una comprensione fondamentale degli eccitoni e di altri effetti a molti corpi a causa della complessità della dinamica degli elettroni ultraveloci quando molte particelle interagiscono. Il gruppo di ricerca del Politecnico di Milano, l'Università di Tsukuba e il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) hanno voluto esplorare la dinamica degli eccitoni ultraveloci indotta dalla luce in MgF ₂ cristalli singoli impiegando spettroscopia di riflessione transitoria ad attosecondi all'avanguardia e simulazioni teoriche microscopiche.

Combinando questi metodi, il team ha scoperto una proprietà completamente nuova degli eccitoni:il fatto che possono mostrare contemporaneamente caratteristiche di tipo atomico e solido. Negli eccitoni che mostrano un carattere atomico, gli elettroni e le lacune sono strettamente legati insieme dalla loro attrazione di Coulomb, proprio come gli elettroni negli atomi sono legati dal nucleo. In eccitoni con un carattere solido, d'altra parte, gli elettroni si muovono più liberamente nei solidi, non diversamente dalle onde dell'oceano.

"Si tratta di risultati significativi - afferma l'autore principale Matteo Lucchini del Politecnico di Milano - perché capire come gli eccitoni interagiscono con la luce su queste scale temporali estreme ci consente di immaginare come sfruttare le loro caratteristiche uniche, promuovere la creazione di una nuova classe di dispositivi elettro-ottici."

Durante il loro esperimento attosecondo eseguito presso l'Attosecond Research Center, i ricercatori sono riusciti a osservare per la prima volta le dinamiche sub-femtosecondi degli eccitoni, con segnali costituiti da componenti lenti e veloci. Questo fenomeno è stato spiegato con simulazioni teoriche avanzate, aggiunge il co-autore Shunsuke Sato dell'MPSD e dell'Università di Tsukuba:"I nostri calcoli hanno chiarito che la componente più lenta del segnale ha origine dal carattere atomico dell'eccitone mentre la componente più veloce ha origine dal carattere solido:un -rompente scoperta, il che dimostra la coesistenza dei caratteri duali degli eccitoni!"

Questo lavoro apre una nuova importante strada per la manipolazione delle proprietà eccitoniche e dei materiali da parte della luce. Rappresenta un passo importante verso la profonda comprensione della dinamica degli elettroni di non equilibrio nella materia e fornisce le conoscenze fondamentali per lo sviluppo di futuri dispositivi optoelettronici ultraveloci, elettronica, ottica, spintronica, ed eccitoniche.