Excitoner är kvasipartiklar som kan transportera energi genom fasta ämnen. Detta gör dem viktiga för utvecklingen av framtida material och enheter – men mer forskning behövs för att förstå deras grundläggande beteende och hur man manipulerar det. Forskare vid Politecnico di Milano i samarbete med Institute of Photonics and Nanotechnologies IFN-CNR och en teorigrupp från Tsukuba University (Japan) och Max Plank Institute for the Structure and Dynamics of matter (Hamburg, Tyskland), har upptäckt att en exciton samtidigt kan anta två radikalt olika karaktärer när den stimuleras av ljus. Deras arbete, nu publicerad i Naturkommunikation , ger viktiga nya insikter för nuvarande och framtida excitonikforskning.

Excitoner består av en negativt laddad elektron och ett positivt laddat hål i fasta ämnen. De är en så kallad mångkroppseffekt, produceras av växelverkan mellan många partiklar, speciellt när en stark ljuspuls träffar det fasta materialet. Under det senaste decenniet, forskare har observerat många kroppseffekter ner till den ofattbart korta attosekundens tidsskalan, med andra ord miljarddels miljarddels sekund.

Dock, forskare har fortfarande inte nått en grundläggande förståelse av excitoner och andra effekter på många kroppar på grund av komplexiteten i den ultrasnabba elektrondynamiken när många partiklar interagerar. Forskargruppen från Politecnico di Milano, University of Tsukuba och Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) ville utforska den ljusinducerade ultrasnabba excitondynamiken i MgF ₂ enkristaller genom att använda toppmodern attosekunds transientreflektionsspektroskopi och mikroskopiska teoretiska simuleringar.

Genom att kombinera dessa metoder, teamet upptäckte en helt ny egenskap hos excitoner:det faktum att de samtidigt kan visa atomliknande och solida egenskaper. I excitoner som visar en atomär karaktär, elektronerna och hålen är tätt sammanbundna av sin Coulomb-attraktion – precis som elektronerna i atomer är bundna av kärnan. I excitoner med en solid-liknande karaktär, å andra sidan, elektronerna rör sig mer fritt i fasta ämnen, inte olikt vågor i havet.

"Detta är betydande fynd - säger huvudförfattaren Matteo Lucchini från Politecnico di Milano - för att förstå hur excitoner interagerar med ljus på dessa extrema tidsskalor gör att vi kan föreställa oss hur man kan utnyttja deras unika egenskaper, främja etableringen av en ny klass av elektrooptiska enheter."

Under deras attosecond experiment utfört på Attosecond Research Center, forskarna lyckades observera excitonernas dynamik under femtosekund för första gången, med signaler som består av långsamma och snabba komponenter. Detta fenomen förklarades med avancerade teoretiska simuleringar, tillägger medförfattaren Shunsuke Sato från MPSD och University of Tsukuba:"Våra beräkningar klargjorde att den långsammare komponenten i signalen härrör från excitonens atomliknande karaktär medan den snabbare komponenten härrör från den solidliknande karaktären - en mark -brytande upptäckt, som visar samexistensen av excitonernas dubbla karaktärer!"

Detta arbete öppnar en viktig ny väg för manipulering av excitoniska såväl som materialegenskaper genom ljus. Det representerar ett stort steg mot en djup förståelse av icke-jämviktselektrondynamik i materia och ger den grundläggande kunskapen för utvecklingen av framtida ultrasnabba optoelektroniska enheter, elektronik, optik, spintronik, och excitonik.