Στιγμιότυπα ηλεκτρονίων σε στερεά μορφή.
Όταν ακτινογραφίες ακτινοβολούν σε στερεά υλικά ή μεγάλα μόρια, ένα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από την αρχική του θέση κοντά στον πυρήνα του ατόμου, αφήνοντας πίσω του μια οπή.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες έχουν υποψιαστεί ότι το απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο και η θετικά φορτισμένη οπή σχηματίζουν ένα νέο είδος quasiparticle γνωστό ως ‘core-exciton’. Μέχρι στιγμής, όμως, δεν έχει υπάρξει πραγματική απόδειξη της ύπαρξής του.
Οι επιστήμονες έχουν βρει ένα ευρύ φάσμα εργαλείων για την παρακολούθηση excitons σε ημιαγωγούς σε πραγματικό χρόνο. Αυτά παράγονται από το συνηθισμένο φως και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές στην οπτοηλεκτρονική και τη μικροηλεκτρονική. Αντίθετα, οι πυρήνες-διεγέρτες είναι εξαιρετικά βραχύβιες και μέχρι τώρα δεν υπήρχε τεχνική για την παρακολούθηση της κίνησης τους και για την εξαγωγή των ιδιοτήτων τους.
Μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον ερευνητή της ομάδας Attoelectronics στο Ινστιτούτο Κβαντικής Οπτικής του Max Planck, με επικεφαλής τον Δρ. Ελευθέριο Γκουλιμελάκη, κατάφερε να καταγράψει τη δυναμική των πυρηνικών excitons σε στερεά σε πραγματικό χρόνο.
Χρησιμοποιώντας λάμψεις της ακτινοβολίας ακτίνων Χ που διαρκούν μερικές εκατοντάδες μόνο attoseconds (1 αττοδευτερολέπτων = 0,000000000000000001 δευτερόλεπτα) ακολουθούμενη από οπτικό φως που αναβοσβήνει παρόμοιας διάρκειας (ένα εργαλείο που αναπτύχθηκε από την ομάδα το περασμένο έτος) οι επιστήμονες τράβηξαν το στιγμιότυπο μια ultrafast κάμερα που τους επέτρεψε να λαμβάνουν στιγμιότυπα των βραχυβίων excitons στο διοξείδιο του πυριτίου για πρώτη φορά. Το έργο δημοσιεύεται στο τεύχος του εβδομαδιαίου επιστημονικού περιοδικού Science.
“Τα Core-excitons ζουν για πολύ μικρό χρονικό διάστημα επειδή οι αλληλεπιδράσεις τους με άλλα σωματίδια σε στερεά μορφή σταματούν γρήγορα την κίνηση τους”, δήλωσε ο Antoine Moulet, ηγετικός συγγραφέας σε αυτό το έργο. “Στην κβαντική μηχανική λέμε ότι το exciton χάνει τη συνοχή του”, προσθέτει.
Ένα βασικό εργαλείο για την παρακολούθηση της δυναμικής των Core-excitons ήταν η ανάπτυξη φωτοβολίδων attosecond στο οπτικό εύρος. Το έργο δημοσιεύθηκε από την ομάδα Attoelectronics πέρυσι.
“Στο πείραμά μας χρησιμοποιούμε τις ακτίνες Χ για να φωτίσουμε τα Core-excitons σε στερεά μορφή, επειδή οι οπτικοί παλμοί attosecond παρέχουν τη δυνατότητα να επιλυθεί αυτή η κίνηση σε πραγματικό χρόνο”, ανέφερε ο Julien Bertrand, πρώην ερευνητής στην ομάδα του Goulielmakis, επί του παρόντος οεπίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Laval του Καναδά. “Ο συνδυασμός και των δύο μας επέτρεψε να πάρουμε στιγμιότυπα της κίνησης των Core-excitons που έζησαν για περίπου 750 attoseconds”.
Αλλά η μελέτη δεν περιοριζόταν μόνο στη λήψη αυτών των φευγαλέων κινήσεων μέσα σε στερεά μορφή. «Ήμασταν σε θέση να αποκτήσουμε ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των πυρήνων όπως η μικρογραφία τους μέγεθος που ήταν απλά μεγαλύτερο από αυτό ενός ατόμου, ή πόσο εύκολα είναι πολωμένοι από το ορατό φως», λέει ο Γκουλιμεμάκης. «Η τεχνική μας προωθεί τα excitonics, δηλαδή τη μέτρηση, τον έλεγχο και την εφαρμογή excitons στο σύστημα ακτίνων Χ. Αλλά ταυτόχρονα, είναι ένα γενικό εργαλείο για τη μελέτη υπερύθρων διεργασιών που κινούνται με ακτίνες Χ σε στερεά μορφή στις φυσικές τους χρονικές κλίμακες “Μια τέτοια ικανότητα δεν ήταν ποτέ δυνατή πριν από την επιστήμη των ακτίνων Χ”.
Η ομάδα προβλέπει τώρα εφαρμογές της τεχνικής τους για τη μελέτη υπερυψηλών διεργασιών σε διεπαφές στερεών και νέες οδούς για την πραγματοποίηση υπερταχικών διακοπτών για ακτινοβολία ακτίνων Χ με βάση οπτικά πεδία φωτισμού. «Με τα ακτινογραφικά ελεύθερα ηλεκτρονικά λέιζερ που αναπτύσσονται γρήγορα σε όλο τον κόσμο, η δυνατότητα ελέγχου των ακτίνων Χ με ορατό φως γίνεται ολοένα και πιο σημαντική», λέει ο Γκουλιμελάκης.
