Когда мощное рентгеновское излучение «освещает» различные материалы или большие молекулы, электроны выбиваются из их мест возле ядра атома. В течение долгого времени ученые считали, что высвобожденный электрон и оставшаяся положительно заряженная «дырка» в электронной оболочке атома формируют квазичастицу под названием «внутриатомный экситон», подобно обычным экситонам, образующимся в среде полупроводниковых материалов. Но до последнего времени у ученых не имелось ни одного доказательства существования этих внутриатомных экситонов.

Основная трудность обнаружения, изучения свойств и поведения внутриатомных экситонов заключается в том, что эти квазичастицы являются крайне короткоживущими, и для их изучения не подходят технологии и приборы, используемые для изучения обычных экситонов в полупроводниках. Тем не менее, группе ученых из Института квантовой оптики Макса Планка (Max Planck Institute of Quantum Optics) удалось зафиксировать факт существования внутриатомных экситонов и определить динамику их движения в режиме реального времени. Для этого ученые использовали вспышки рентгена, длительностью в несколько сотен аттосекунд (1 аттосекунда = 0.000000000000000001 секунды), сопровождаемые вспышками света сопоставимой длительности. В результате использования сверхкоротких вспышек у ученых получилась сверхвысокоскоростная камера, которая оказалась способной сделать первые в истории науки снимки внутриатомных экситонов, возникающих в диоксиде кремния.

Ключевым моментом фиксации существования внутриатомных экситонов стала разработанная в прошлом году установка, способная производить аттосекундные вспышки света, точно синхронизированные со вспышками рентгеновского излучения. «В нашем эксперименте мы использовали вспышки рентгена для формирования внутриатомных экситонов в частицах из твердых материалов. А оптические аттосекундные импульсы позволили нам увидеть движение этих экситонов в режиме реального времени» — рассказывает Жюльен Бертран (Julien Bertrand), один из исследователей, — «Комбинация двух сверхскоростных технологий позволила нам сделать снимки экситонов, время «жизни» которых не превышает 750 аттосекунд».

«Помимо того, что нам удалось зафиксировать факт существования внутриатомных экситонов и отследить их движение, мы смогли получить массу информации об основных свойствах этих квазичастиц» — рассказывает доктор Элефтэрайос Гулилмакис (Dr. Eleftherios Goulielmakis), руководитель научной группы, — «Наша технология является первой сверхскоростной рентгеновской технологией, которая позволяет изучать квазичастицы, существующие в их естественных временных рамках».

В настоящее время исследовательская группа доктора Гулилмакиса рассматривает возможность применения их технологии для изучения других быстротекущих процессах, происходящих на границах частиц из твердых материалов. Вполне вероятно, что благодаря этой технологии, которая обрела дополнительную «мощь» с введением в эксплуатацию нового лазера на свободных электронах, будет сделано множество новых открытий, способных произвести революцию в области электроники, нанотехнологий, материаловедения и т.п.