Νέα δεδομένα στην έρευνα για την ύλη – Κρητικός επιστήμονας “έπιασε” την κίνηση εξιτονίων

Η ερευνητική ομάδα του Ηρακλειώτη φυσικού Ελευθερίου Γουλιελμάκη στη Γερμανία σημείωσε μια ακόμη διεθνή επιτυχία, καθώς για πρώτη φορά κατάφερε να «συλλάβει» σε πραγματικό χρόνο μέσα στα στερεά υλικά -με μια δικής του κατασκευής κάμερα- την ασύλληπτα γρήγορη κίνηση των εξιτονίων, εξωτικών οιονεί σωματιδίων που αποτελούν ένα συνδυασμό ηλεκτρονίων και οπών.

Χρησιμοποιώντας πολύ γρήγορους παλμούς λέιζερ και ακτίνες-Χ, οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρτσινγκ, με επικεφαλής τον Έλληνα ερευνητή, «φωτογράφησαν» κινήσεις εξιτονίων που δεν διήρκεσαν πάνω από 750 αττοδευτερόλεπτα ή δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Αυτό το χρονικό διάστημα αποτελεί νέο ρεκόρ, όσον αφορά την ικανότητα των επιστημόνων να βλέπουν ασύλληπτα μικρές και γρήγορες διαδικασίες που συμβαίνουν μέσα στα στερεά. Η ομάδα του δρος Γουλιελμάκη έκανε τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό “Science”.

Εδώ και δεκαετίες οι επιστήμονες που μελετούν τα μυστικά του μικρόκοσμου, υποψιάζονταν ότι όταν ακτίνες-Χ πέφτουν πάνω στην ύλη, σχηματίζονται νέα σωματίδια που μοιάζουν με άτομα και που ονομάζονται εξιτόνια εσωτερικών φλοιών (core-excitons). Όταν η ακτινοβολία-Χ πέφτει πάνω σε στερεά υλικά ή σε μεγάλα μόρια, ένα ηλεκτρόνιο απωθείται από την αρχική θέση του κοντά στον πυρήνα του ατόμου, αφήνοντας πίσω του μια τρύπα.

Οι φυσικοί πίστευαν ότι αυτός ο συνδυασμός του «απελευθερωμένου» ηλεκτρονίου και της θετικά φορτισμένης οπής σχηματίζει ένα οιονεί σωματίδιο. Όμως, μέχρι τώρα δεν υπήρχε κάποια απτή απόδειξη για την ύπαρξή των εξιτονίων εσωτερικών φλοιών.

Ορισμένοι επιστήμονες αμφισβητούσαν ότι τέτοια σωματίδια υπάρχουν πραγματικά. Έως τώρα το ζήτημα δεν μπορούσε να απαντηθεί, επειδή αυτού του είδους τα εξιτόνια, αν πραγματικά υπήρχαν, θα “ζούσαν” μόνο για περίπου ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Μέχρι σήμερα είχε καταστεί εφικτό να παρατηρηθούν μέσα σε υλικά μόνο τα απλά εξιτόνια, τα οποία δημιουργούνται από το κανονικό φως και τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές όπως η οπτοηλεκτρονική και η μικροηλεκτρονική (ημιαγωγοί). Όμως τα εξιτόνια εσωτερικών φλοιών είναι πολύ πιο βραχύβια και μέχρι σήμερα δεν υπήρχε καμία τεχνική ικανή να καταγράψει την κίνησή τους και να μελετήσει τις ιδιότητές τους.

Αυτό ακριβώς πέτυχαν για πρώτη φορά ο δρ Γουλιελμάκης και οι συνεργάτες του στην Ερευνητική Ομάδα Αττοηλεκτρονικής. Η ομάδα του εδώ και περίπου μια δεκαετία εργάζεται για να αναπτύξει τις πιο γρήγορες κάμερες του κόσμου, με στόχο την παρατήρηση των υπερταχέων διαδικασιών στον μικρόκοσμο.

Το πλέον βραχύβιο φαινόμενο

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτά τα εργαλεία για πρώτη φορά για να αποδείξουν ότι αυτά τα εξωτικά σωματίδια υπάρχουν και μάλιστα ζουν μόνο 750 αττοδευτερόλεπτα. Ο χρόνος ζωής των εξιτονίων εσωτερικών φλοιών αποτελεί το πλέον βραχύβιο φαινόμενο, που έχει ποτέ παρατηρηθεί σε πραγματικό χρόνο από επιστήμονες.

Χρησιμοποιώντας λάμψεις ακτινοβολίας-Χ με διάρκεια λίγων εκατοντάδων αττοδευτερολέπτων (ένα αττοδευτερόλεπτο είναι 0,000000000000000001 δευτερόλεπτα), που ακολουθήθηκαν από παλμούς λέιζερ παρόμοιας διάρκειας, πέτυχαν να δημιουργήσουν μια κάμερα υπερυψηλής ταχύτητας, η οποία τους επέτρεψε να τραβήξουν για πρώτη φορά εικόνες σε πραγματικό χρόνο της κίνησης των εξιτονίων μέσα σε διοξείδιο του πυριτίου.

Εκτός από τη «σύλληψη» των εξιτονίων επί το έργον, οι ερευνητές μπόρεσαν να αποκτήσουν περισσότερες πληροφορίες για τις ιδιότητες αυτών των οιονεί σωματιδίων, σχετικά με τις διαστάσεις τους και το πόσο εύκολα πολώνονται από το ορατό φως.

«Η τεχνική μας προωθεί την εξιτονική, δηλαδή την μέτρηση, τον έλεγχο και την εφαρμογή των εξιτονίων με τη βοήθεια των ακτίνων-Χ. Αλλά ταυτόχρονα αποτελεί ένα γενικό εργαλείο για τη μελέτη των πολύ γρήγορων διαδικασιών που προκαλούναι από τις ακτίνες-Χ στα στερεά, στις φυσικές κλίμακες του χρόνου. Μια τέτοια δυνατότητα δεν ήταν έως τώρα δυνατή στην επιστήμη των ακτίνων-Χ», δήλωσε ο Γουλιελμάκης.

Το 2016 ο έλληνας φυσικός της διασποράς είχε πετύχει μια διπλή πρωτιά σε παγκόσμιο επίπεδο: δημιούργησε τους πιο βραχείς παλμούς φωτός και με αυτούς μέτρησε σε πόσο χρόνο αντιδρούν στο φως τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται μέσα στα άτομα της ύλης. Το «φλας» του έλληνα ερευνητή «αναβοσβήνει» κάθε 380 δισεκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Στη συνέχεια, ο Γουλιελμάκης δημιούργησε και μέτρησε το ταχύτερο ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό ενός στερεού υλικού. Χρησιμοποιώντας υπερταχείς παλμούς λέιζερ, επιτάχυνε τα ηλεκτρόνια του ρεύματος, ώστε να κάνουν οκτώ εκατομμύρια δισεκατομμυρίων ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο, πραγματοποιώντας έτσι ένα νέο ρεκόρ στη συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος στο εσωτερικό των στερεών υλικών.

Ο Έλληνας ερευνητής γεννήθηκε στο Ηράκλειο Κρήτης το 1975, αποφοίτησε από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης το 2000 και πήρε το διδακτορικό του από το Πανεπιστήμιο του Μονάχου το 2005. Από το 2010 είναι επικεφαλής της Ομάδας Αττοηλεκτρονικής του Εργαστηρίου Αττοφυσικής του Ινστιτούτου Κβαντικής Οπτικής Μαξ Πλανκ στο Γκάρτσινγκ της Γερμανίας.

Εστιάζει την έρευνά του στη μελέτη της δυναμικής των ηλεκτρονίων μέσα στην ύλη. Με την ερευνά του, μεταξύ άλλων, φιλοδοξεί να θέσει τις βάσεις για την ανάπτυξη ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που θα λειτουργούν με φως.

«Χρησιμοποιώντας το φως για να ελέγχουν σωματίδια όπως τα εξιτόνια» δήλωσε ο κ.Γουλιελμάκης στο ΑΠΕ-ΜΠΕ, «οι επιστήμονες έχουν τώρα νέες δυνατότητες να κατανοήσουν τα υλικά με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και να σχεδιάσουν ακόμα πιο μικροσκοπικές και γρήγορες ηλεκτρονικές συσκευές».