Lorsque les rayons X brillent sur des matériaux solides ou de grosses molécules, un électron est repoussé de sa place d'origine près du noyau de l'atome, laissant un trou derrière. Pendant longtemps, les scientifiques ont soupçonné que l'électron libéré et le trou chargé positivement forment un nouveau type de quasiparticule, connu sous le nom de « cœur-exciton ». Mais si loin, il n'y a pas encore eu de preuve réelle de son existence. Les scientifiques disposent d'un large éventail d'outils pour suivre les excitons dans les semi-conducteurs en temps réel. Ceux-ci sont générés par la lumière ordinaire, et peut être utilisé dans diverses applications en optoélectronique et en microélectronique. Au contraire, Les excitons du noyau ont une durée de vie extrêmement courte, et jusqu'à maintenant, aucune technique n'était disponible pour suivre leur mouvement et en déduire leurs propriétés.

Une équipe de scientifiques dirigée par le Dr Eleftherios Goulielmakis, responsable du groupe de recherche "Attoélectronique" à l'Institut Max Planck d'Optique Quantique, ont pu capturer la dynamique des noyaux-excitons dans les solides en temps réel. À l'aide d'éclairs de rayons X d'une durée de quelques centaines d'attosecondes seulement (1 attoseconde =0,0000000000000000001 seconde) suivis d'éclairs optiques de durée similaire (un outil développé par le groupe l'année dernière), les scientifiques obtiennent une caméra ultrarapide qui leur permet de prendre des clichés de les excitons à courte durée de vie dans le dioxyde de silicium pour la première fois. L'ouvrage est publié dans le numéro de cette semaine du Science magazine.

"Les noyaux-excitons vivent très peu de temps car leurs interactions avec d'autres particules dans le solide arrêtent rapidement leur mouvement, " dit Antoine Moulet, auteur principal de cet ouvrage. "En mécanique quantique on dit que l'exciton perd sa cohérence, " il ajoute.

Un outil clé pour suivre la dynamique des noyaux-excitons a été le développement de flashs de lumière attoseconde dans la gamme optique. Le travail a été publié par le groupe Attoelectronics l'année dernière.

"Dans notre expérience, nous utilisons des flashs à rayons X pour éclairer les noyaux excitons dans les solides, alors que les impulsions optiques attosecondes offrent la possibilité de résoudre ce mouvement en temps réel, " dit Julien Bertrand, un ancien chercheur du groupe de Goulielmakis, actuellement professeur adjoint à l'Université Laval, Canada. "La combinaison des deux nous a permis de prendre des instantanés du mouvement des noyaux-excitons qui ont vécu pendant environ 750 attosecondes."

Mais l'étude ne s'est pas limitée à capturer ces mouvements fugaces à l'intérieur des solides. "Nous avons pu acquérir des informations quantitatives sur les propriétés des noyaux-excitons telles que leur dimension miniature qui était simplement plus grande que celle d'un seul atome, ou avec quelle facilité ils sont polarisés par la lumière visible, " dit Goulielmakis. " Notre technique fait progresser l'excitonique, c'est-à-dire la mesure, le contrôle et l'application des excitons dans le régime des rayons X. Mais en même temps, il s'agit d'un outil général pour l'étude des processus initiés par les rayons X ultrarapides dans les solides sur leurs échelles de temps naturelles. Une telle capacité n'a jamais été possible auparavant dans la science des rayons X."

L'équipe envisage maintenant des applications de leur technique pour étudier les processus ultrarapides aux interfaces des solides, et de nouvelles voies pour réaliser des commutateurs ultrarapides pour le rayonnement X basés sur des champs lumineux optiques. « Avec les lasers à électrons libres de rayons X qui prolifèrent rapidement dans le monde, la capacité de contrôler les rayons X avec la lumière visible devient de plus en plus importante, " dit Goulielmakis.