Cuando los rayos X brillan sobre materiales sólidos o moléculas grandes, un electrón se aleja de su lugar original cerca del núcleo del átomo, dejando un agujero atrás. Por mucho tiempo, los científicos han sospechado que el electrón liberado y el agujero cargado positivamente forman un nuevo tipo de cuasipartícula, conocida como "núcleo-excitón". Pero hasta ahora, todavía no ha habido una prueba real de su existencia. Los científicos tienen una amplia gama de herramientas para rastrear excitones en semiconductores en tiempo real. Aquellos son generados por luz ordinaria, y se puede emplear en diversas aplicaciones en optoelectrónica y microelectrónica. De lo contrario, los excitones centrales son extremadamente efímeros, y hasta ahora no se disponía de ninguna técnica para seguir su movimiento y deducir sus propiedades.

Un equipo de científicos dirigido por el Dr. Eleftherios Goulielmakis, jefe del grupo de investigación "Attoelectronics" en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, han podido capturar la dinámica de los excitones centrales en sólidos en tiempo real. Usando destellos de radiación de rayos X que duran solo unos pocos cientos de attosegundos (1 attosegundo =0.000000000000000001 segundos) seguidos de destellos de luz óptica de duración similar (una herramienta desarrollada por el grupo el año pasado), los científicos obtienen una cámara ultrarrápida que les permitió tomar instantáneas de los excitones de corta duración en dióxido de silicio por primera vez. El trabajo se publica en la edición de esta semana de la Ciencias revista.

"Los excitones del núcleo viven muy poco tiempo porque sus interacciones con otras partículas en el sólido detienen rápidamente su movimiento, "dijo Antoine Moulet, autor principal de este trabajo. "En mecánica cuántica decimos que el excitón pierde su coherencia, " él añade.

Una herramienta clave para rastrear la dinámica de los excitones centrales ha sido el desarrollo de destellos de luz de attosegundos en el rango óptico. El trabajo fue publicado por el grupo Attoelectronics el año pasado.

"En nuestro experimento usamos destellos de rayos X para iluminar los excitones centrales en sólidos, Considerando que los pulsos de attosegundos ópticos brindan la posibilidad de resolver este movimiento en tiempo real, "dice Julien Bertrand, un ex investigador del grupo de Goulielmakis, en la actualidad profesor asistente en la Universidad Laval, Canadá. "La combinación de ambos nos permitió tomar instantáneas del movimiento de los excitones del núcleo que vivieron durante aproximadamente 750 attosegundos".

Pero el estudio no se limitó a capturar estos movimientos fugaces dentro de los sólidos. "Pudimos adquirir información cuantitativa sobre las propiedades de los excitones del núcleo, como su dimensión en miniatura, que era simplemente más grande que la de un solo átomo, o la facilidad con que se polarizan con la luz visible, "dice Goulielmakis." Nuestra técnica avanza la excitónica, es decir, la medida, el control y la aplicación de excitones en el régimen de rayos X. Pero al mismo tiempo, es una herramienta general para estudiar procesos iniciados por rayos X ultrarrápidos en sólidos en sus escalas de tiempo naturales. Tal capacidad nunca antes había sido posible en la ciencia de los rayos X ".

El equipo ahora prevé aplicaciones de su técnica para estudiar procesos ultrarrápidos en interfaces de sólidos, y nuevas rutas para realizar interruptores ultrarrápidos para radiación de rayos X basados ​​en campos ópticos de luz. "Con los láseres de electrones libres de rayos X que proliferan rápidamente en todo el mundo, la capacidad de controlar los rayos X con luz visible se vuelve cada vez más importante, "dice Goulielmakis.