När röntgenstrålar lyser på fasta material eller stora molekyler, en elektron skjuts bort från sin ursprungliga plats nära atomkärnan, lämnar ett hål bakom. Under en lång tid, forskare har misstänkt att den frigjorda elektronen och det positivt laddade hålet bildar en ny typ av kvasipartikel-känd som "core-exciton". Men hittills, det har ännu inte funnits ett verkligt bevis på dess existens. Forskare har ett brett utbud av verktyg för att spåra excitoner i halvledare i realtid. De genereras av vanligt ljus, och kan användas i olika applikationer inom optoelektronik och mikroelektronik. Tvärtom, kärn-excitoner är extremt kortlivade, och fram till nu, ingen teknik var tillgänglig för att spåra deras rörelse och härleda deras egenskaper.

Ett team av forskare under ledning av Dr Eleftherios Goulielmakis, chef för forskargruppen "Attoelektronik" vid Max Planck Institute of Quantum Optics, har kunnat fånga dynamiken i kärn-excitoner i fasta ämnen i realtid. Med hjälp av blixtar av röntgenstrålning som bara varar några hundra attosekunder (1 attosekund =0,000000000000000001 sekunder) följt av optiska ljusblixtar av liknande varaktighet (ett verktyg som gruppen utvecklade förra året) skaffar forskarna en ultrasnabb kamera som gjorde att de kunde ta ögonblicksbilder av de kortlivade excitonerna i kiseldioxid för första gången. Verket publiceras i veckans nummer av Vetenskap tidskrift.

"Kärn-excitoner lever under mycket kort tid eftersom deras interaktioner med andra partiklar i det fasta ämnet snabbt stoppar deras rörelse, "sa Antoine Moulet, ledande författare i detta verk. "I kvantmekaniken säger vi att excitonen förlorar sin sammanhang, " han lägger till.

Ett viktigt verktyg för att spåra dynamiken i kärn-excitoner har varit utvecklingen av attosekundljusblixtar i det optiska området. Arbetet publicerades av Attoelectronics -gruppen förra året.

"I vårt experiment använder vi röntgenblixtar för att tända kärn-excitoner i fasta ämnen, medan de optiska attosekundpulserna ger möjlighet att lösa denna rörelse i realtid, "säger Julien Bertrand, en tidigare forskare i gruppen Goulielmakis, för närvarande biträdande professor vid Laval University, Kanada. "Kombinationen av båda tillät oss att ta ögonblicksbilder av rörelsen av kärn-excitoner som levde i cirka 750 attosekunder."

Men studien var inte begränsad till att fånga dessa flyktiga rörelser inuti fasta ämnen. "Vi kunde skaffa kvantitativ information om egenskaperna hos kärn-excitoner, till exempel deras miniatyrdimension som bara var större än för en enda atom, eller hur lätt de polariseras av synligt ljus, "säger Goulielmakis." Vår teknik avancerar excitonik, dvs mätningen, kontroll och tillämpning av excitoner i röntgenregimen. Men samtidigt, det är ett allmänt verktyg för att studera ultrasnabba röntgeninitierade processer i fasta ämnen på deras naturliga tidsskalor. En sådan förmåga har aldrig tidigare varit möjlig inom röntgenvetenskap. "

Teamet föreställer sig nu tillämpningar av deras teknik för att studera ultrasnabba processer vid gränssnitt för fasta ämnen, och nya vägar för att realisera ultrasnabba switchar för röntgenstrålning baserat på optiska ljusfält. "Med röntgenfria elektronlasrar som snabbt sprider sig runt om i världen, förmågan att kontrollera röntgenstrålar med synligt ljus blir allt viktigare, "säger Goulielmakis.