Quando os raios X brilham em materiais sólidos ou moléculas grandes, um elétron é empurrado para longe de seu lugar original perto do núcleo do átomo, deixando um buraco para trás. Por muito tempo, os cientistas suspeitaram que o elétron liberado e o buraco carregado positivamente formam um novo tipo de quasipartícula - conhecido como 'núcleo-exciton'. Mas por enquanto, ainda não houve uma prova real de sua existência. Os cientistas têm uma ampla gama de ferramentas para rastrear excitons em semicondutores em tempo real. Esses são gerados por luz comum, e pode ser empregado em várias aplicações em optoeletrônica e microeletrônica. Pelo contrário, excitons centrais têm vida extremamente curta, e até agora, nenhuma técnica estava disponível para rastrear seu movimento e deduzir suas propriedades.

Uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. Eleftherios Goulielmakis, chefe do grupo de pesquisa "Attoeletrônica" do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, foram capazes de capturar a dinâmica dos excitons do núcleo em sólidos em tempo real. Usando flashes de radiação de raios-X com duração de apenas algumas centenas de attossegundos (1 attossegundo =0,000000000000000001 segundos), seguidos por flashes de luz óptica de duração semelhante (uma ferramenta desenvolvida pelo grupo no ano passado), os cientistas obtêm uma câmera ultrarrápida que lhes permitiu tirar fotos de os excitons de curta duração no dióxido de silício pela primeira vez. O trabalho está publicado na edição desta semana da Ciência revista.

"Core-excitons vivem por um tempo muito curto porque suas interações com outras partículas no sólido param rapidamente seu movimento, "disse Antoine Moulet, autor principal deste trabalho. "Na mecânica quântica, dizemos que o exciton perde sua coerência, " ele adiciona.

Uma ferramenta chave para rastrear a dinâmica dos excitons do núcleo tem sido o desenvolvimento de flashes de luz de attossegundo na faixa óptica. O trabalho foi publicado pelo grupo Attoelectronics no ano passado.

"Em nosso experimento, usamos flashes de raios-X para iluminar excitons do núcleo em sólidos, enquanto os pulsos de attossegundos ópticos fornecem a possibilidade de resolver esse movimento em tempo real, "diz Julien Bertrand, um ex-pesquisador do grupo de Goulielmakis, atualmente professor assistente na Universidade Laval, Canadá. "A combinação de ambos nos permitiu tirar fotos do movimento dos excitons centrais que viveram por aproximadamente 750 attossegundos."

Mas o estudo não se limitou a capturar esses movimentos fugazes dentro dos sólidos. "Conseguimos adquirir informações quantitativas sobre as propriedades dos excitons centrais, como sua dimensão em miniatura, que era meramente maior do que a de um único átomo, ou a facilidade com que são polarizados pela luz visível, "diz Goulielmakis." Nossa técnica avança excitônica, ou seja, a medição, o controle e a aplicação de excitons no regime de raios-x. Mas ao mesmo tempo, é uma ferramenta geral para estudar processos iniciados por raios X ultrarrápidos em sólidos em suas escalas de tempo naturais. Essa capacidade nunca foi possível na ciência de raios-x. "

A equipe agora prevê aplicações de sua técnica para estudar processos ultrarrápidos em interfaces de sólidos, e novas rotas para realizar comutadores ultrarrápidos para radiação de raios-X com base em campos de luz ótica. "Com os lasers de elétrons livres de raios-X proliferando rapidamente em todo o mundo, a capacidade de controlar os raios-x com luz visível torna-se cada vez mais importante, "diz Goulielmakis.