Les excitons sont des quasi-particules qui peuvent transporter de l'énergie à travers des substances solides. Cela les rend importants pour le développement de futurs matériaux et dispositifs, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre leur comportement fondamental et comment le manipuler. Des chercheurs du Politecnico di Milano en collaboration avec l'Institut de photonique et de nanotechnologies IFN-CNR et un groupe théorique de l'Université de Tsukuba (Japon) et du Max Plank Institute for the Structure and Dynamics of matter (Hambourg, Allemagne), ont découvert qu'un exciton peut adopter simultanément deux caractères radicalement différents lorsqu'il est stimulé par la lumière. Leur travail, maintenant publié dans Communication Nature , apporte de nouvelles connaissances cruciales pour la recherche actuelle et future en excitonique.

Les excitons sont constitués d'un électron chargé négativement et d'un trou chargé positivement dans les solides. Ils sont un soi-disant effet à plusieurs corps, produit par l'interaction de nombreuses particules, surtout lorsqu'une forte impulsion lumineuse frappe le matériau solide. Dans la dernière décennie, les chercheurs ont observé des effets à plusieurs corps jusqu'à l'échelle de temps incroyablement courte de l'attoseconde, en d'autres termes des milliardièmes de milliardième de seconde.

Cependant, les scientifiques n'ont toujours pas atteint une compréhension fondamentale des excitons et autres effets à N corps en raison de la complexité de la dynamique des électrons ultrarapides lorsque de nombreuses particules interagissent. L'équipe de recherche du Politecnico di Milano, l'Université de Tsukuba et le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics (MPSD) voulaient explorer la dynamique des excitons ultrarapides induits par la lumière dans le MgF 2 monocristaux en utilisant une spectroscopie de réflexion transitoire attoseconde de pointe et des simulations théoriques microscopiques.

En combinant ces méthodes, l'équipe a découvert une propriété entièrement nouvelle des excitons :le fait qu'ils peuvent présenter simultanément des caractéristiques de type atomique et de type solide. Dans les excitons à caractère atomique, les électrons et les trous sont étroitement liés par leur attraction coulombienne, tout comme les électrons des atomes sont liés par le noyau. Dans les excitons au caractère solide, d'autre part, les électrons se déplacent plus librement dans les solides, un peu comme les vagues de l'océan.

"Ce sont des découvertes importantes - dit l'auteur principal Matteo Lucchini du Politecnico di Milano - car comprendre comment les excitons interagissent avec la lumière sur ces échelles de temps extrêmes nous permet d'envisager comment exploiter leurs caractéristiques uniques, favorisant l'établissement d'une nouvelle classe de dispositifs électro-optiques."

Au cours de leur expérience attoseconde réalisée au Centre de recherche Attoseconde, les chercheurs ont réussi à observer pour la première fois la dynamique sub-femtoseconde des excitons, avec des signaux constitués de composants lents et rapides. Ce phénomène a été expliqué par des simulations théoriques avancées, ajoute le co-auteur Shunsuke Sato du MPSD et de l'Université de Tsukuba :"Nos calculs ont clarifié que la composante la plus lente du signal provient du caractère atomique de l'exciton tandis que la composante la plus rapide provient du caractère solide - une masse -découverte de rupture, ce qui démontre la coexistence du double caractère des excitons !"

Ces travaux ouvrent une nouvelle voie importante pour la manipulation des propriétés excitoniques ainsi que des matériaux par la lumière. Il représente une étape majeure vers la compréhension approfondie de la dynamique des électrons hors d'équilibre dans la matière et fournit les connaissances fondamentales pour le développement de futurs dispositifs optoélectroniques ultrarapides, électronique, optique, spintronique, et excitonique.