Los excitones son cuasipartículas que pueden transportar energía a través de sustancias sólidas. Esto los hace importantes para el desarrollo de materiales y dispositivos futuros, pero se necesita más investigación para comprender su comportamiento fundamental y cómo manipularlo. Investigadores del Politecnico di Milano en colaboración con el Instituto de Fotónica y Nanotecnologías IFN-CNR y un grupo teórico de la Universidad de Tsukuba (Japón) y el Instituto Max Plank para la Estructura y Dinámica de la materia (Hamburgo, Alemania), Han descubierto que un excitón puede adoptar simultáneamente dos caracteres radicalmente diferentes cuando es estimulado por la luz. Su trabajo, ahora publicado en Comunicaciones de la naturaleza , produce nuevos conocimientos cruciales para la investigación excitónica actual y futura.

Los excitones consisten en un electrón cargado negativamente y un agujero cargado positivamente en los sólidos. Son los llamados efectos de muchos cuerpos, producido por la interacción de muchas partículas, especialmente cuando un fuerte pulso de luz golpea el material sólido. En la última decada, Los investigadores han observado muchos efectos corporales hasta la inimaginablemente corta escala de tiempo de attosegundos, en otras palabras, mil millonésimas de mil millonésimas de segundo.

Sin embargo, Los científicos aún no han alcanzado una comprensión fundamental de los excitones y otros efectos de muchos cuerpos debido a la complejidad de la dinámica ultrarrápida de los electrones cuando interactúan muchas partículas. El equipo de investigación del Politecnico di Milano, la Universidad de Tsukuba y el Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica (MPSD) querían explorar la dinámica de excitones ultrarrápida inducida por la luz en MgF ₂ monocristales mediante el empleo de espectroscopía de reflexión transitoria de attosegundos de última generación y simulaciones teóricas microscópicas.

Combinando estos métodos, el equipo descubrió una propiedad completamente nueva de los excitones:el hecho de que pueden mostrar simultáneamente características de tipo atómico y sólido. En excitones que muestran un carácter atómico, los electrones y los huecos están estrechamente unidos por su atracción de Coulomb, al igual que los electrones de los átomos están unidos por el núcleo. En excitones con carácter sólido, por otra parte, los electrones se mueven más libremente en los sólidos, no a diferencia de las olas del océano.

"Estos son hallazgos importantes, dice el autor principal Matteo Lucchini del Politecnico di Milano, porque comprender cómo los excitones interactúan con la luz en estas escalas de tiempo extremas nos permite imaginar cómo explotar sus características únicas, Fomentar el establecimiento de una nueva clase de dispositivos electroópticos ".

Durante su experimento de attosegundos realizado en el Centro de Investigación de Attosegundos, los investigadores lograron observar la dinámica subfemtosegundo de los excitones por primera vez, con señales que constan de componentes lentos y rápidos. Este fenómeno se explicó con simulaciones teóricas avanzadas, agrega el coautor Shunsuke Sato del MPSD y la Universidad de Tsukuba:"Nuestros cálculos aclararon que el componente más lento de la señal se origina en el carácter atómico del excitón, mientras que el componente más rápido se origina en el carácter sólido:un suelo -descubrimiento rompedor, lo que demuestra la coexistencia de los caracteres duales de los excitones ".

Este trabajo abre una nueva e importante vía para la manipulación de las propiedades excitónicas y de los materiales por la luz. Representa un paso importante hacia la comprensión profunda de la dinámica de los electrones que no están en equilibrio en la materia y proporciona el conocimiento fundamental para el desarrollo de futuros dispositivos optoelectrónicos ultrarrápidos. electrónica, óptica, espintrónica, y excitónicos.