Исследователи впервые наблюдали в металле промежуточные экситоны (transient excitons) – первичный отклик свободных электронов на свет. Известно, что электроны поверхности кристаллов серебра могут находиться в экситоном состоянии в 100 раз дольше, чем электроны, располагающиеся в глубине металла. Это обстоятельство позволяет осуществлять экспериментальную визуализацию экситонов с помощью специально разработанной многоразмерной когерентной спектральной методики.

Обнаружение экситонов в металле может дать дополнительную информацию о том, каким образом в солнечных батареях и клетках растений свет преобразуется в электрическую и химическую энергию.

Результаты исследования также могут стать основой для нового способа изменения функций металлов для разработки активных элементов для различного рода технологий, основанных на контроле степени отражения света металлом.

Рис. 1. Интерферограмма демонстрирует зависимость энергии фотоэлектрона от задержки времени между идентичными фемтосекундными импульсами подкачки и зондирования, возбуждающими когерентную трехфотонную фотоэмиссию с поверхности кристалла серебра. Интерферограмма является кадром из «фильма», отражающего зависимость энергии фотоэлектрона от момента, один кадр такого «фильма» соответствует задержке в 50 аттосекунд. Колебания интенсивности сигнала фотоэлектрона показывают, в течение какого времени свет остается уловленным в форме экситонной поляризации во время нелинейного когерентного взаимодействия с поверхностью серебра. (Рисунок из Nature Physics, 2014; 10 (7): 505 DOI: 10.1038/nphys2981).

Мы каждый день смотримся в зеркало, но квантово-механическое описание этого всем хорошо известного явления до сих пор недостаточно хорошо изучено.

При отражении света от зеркальной поверхности электромагнитная волна «трясет» свободные электроны металла, и являющееся результатом этого процесса ускорение электронов создает почти идеальную копию падающего света – обеспечивает отражение.

Экситоны – состояния, в которых свет взаимодействует с веществом за счет того, что фотоны электромагнитного излучения связываются c электронами молекул, металлических кристаллических решеток и полупроводниковых материалов, важные для реализации как процесса генерации отражения в зеркале, так и явлений фотосинтеза или многих других.

К сожалению, изучение и понимание свойств экситонов затрудняется их коротким временем жизни – они существуют около 100 аттосекунд.

В новой работе исследователям удалось впервые наблюдать экситоны на поверхности металла, время жизни которых было в 100 раз больше, чем у экситонов в объеме металла, что позволило визуализировать эти состояния.

Результаты работы позволяют узнать больше о первичном экситонном отклике твердых веществ, что может стать основой для реализации квантового контроля электронов в металлах, полупроводниках и органических материалах. Результаты новой работы могут оказаться полезными и для генерации интенсивных фемтосекундных электронных импульсов, способных улучшить разрешение тех электронных микроскопов, которые следят за движением отдельных атомов и молекул в ходе структурных превращений и/или химических реакций.