Excitons são quasipartículas que podem transportar energia por meio de substâncias sólidas. Isso os torna importantes para o desenvolvimento de materiais e dispositivos futuros - mas mais pesquisas são necessárias para entender seu comportamento fundamental e como manipulá-lo. Pesquisadores do Politecnico di Milano em colaboração com o Instituto de Fotônica e Nanotecnologias IFN-CNR e um grupo de teoria da Universidade Tsukuba (Japão) e o Instituto Max Plank para a Estrutura e Dinâmica da matéria (Hamburgo, Alemanha), descobriram que um exciton pode adotar simultaneamente dois caracteres radicalmente diferentes quando é estimulado pela luz. Trabalho deles, agora publicado em Nature Communications , Rende novos insights cruciais para a pesquisa excitônica atual e futura.

Excitons consistem em um elétron carregado negativamente e um buraco carregado positivamente em sólidos. Eles são os chamados efeitos de muitos corpos, produzido pela interação de muitas partículas, especialmente quando um forte pulso de luz atinge o material sólido. Na década passada, pesquisadores observaram efeitos de muitos corpos em uma escala de tempo de attossegundo inimaginavelmente curta, em outras palavras, bilionésimos de bilionésimo de segundo.

Contudo, os cientistas ainda não alcançaram uma compreensão fundamental dos excitons e outros efeitos de muitos corpos devido à complexidade da dinâmica ultrarrápida do elétron quando muitas partículas interagem. A equipe de pesquisa do Politecnico di Milano, a Universidade de Tsukuba e o Instituto Max Planck de Estrutura e Dinâmica (MPSD) queriam explorar a dinâmica ultrarrápida do exciton induzida pela luz em MgF ₂ cristais únicos, empregando espectroscopia de reflexão transiente de attosegundo de última geração e simulações teóricas microscópicas.

Ao combinar esses métodos, a equipe descobriu uma propriedade inteiramente nova dos excitons:o fato de que eles podem apresentar simultaneamente características atômicas e sólidas. Em excitons exibindo um caráter atômico, os elétrons e lacunas estão fortemente unidos por sua atração de Coulomb - assim como os elétrons nos átomos são ligados pelo núcleo. Em excitons com caráter sólido, por outro lado, os elétrons se movem mais livremente em sólidos, não muito diferente das ondas do oceano.

"Estas são descobertas significativas - diz o autor principal Matteo Lucchini do Politecnico di Milano - porque compreender como os excitons interagem com a luz nessas escalas de tempo extremas nos permite imaginar como explorar suas características únicas, fomentando o estabelecimento de uma nova classe de dispositivos eletro-ópticos. "

Durante o experimento attosecond realizado no Attosecond Research Center, os pesquisadores conseguiram observar a dinâmica subfemtossegundo dos excitons pela primeira vez, com sinais consistindo em componentes lentos e rápidos. Este fenômeno foi explicado com simulações teóricas avançadas, acrescenta o coautor Shunsuke Sato do MPSD e da Universidade de Tsukuba:"Nossos cálculos esclareceram que o componente mais lento do sinal se origina do caráter atômico do exciton, enquanto o componente mais rápido se origina do caráter sólido - um solo - descoberta revolucionária, o que demonstra a coexistência dos caracteres duais de excitons! "

Este trabalho abre um novo caminho importante para a manipulação das propriedades excitônicas e dos materiais pela luz. Representa um passo importante para o entendimento profundo da dinâmica eletrônica de não equilíbrio na matéria e fornece o conhecimento fundamental para o desenvolvimento de futuros dispositivos optoeletrônicos ultrarrápidos, eletrônicos, ótica, spintrônica, e excitônica.