Attosecond dynamics in the deep conduction band of wide-bandgap insulators

Wide-bandgap insulators offer a unique platform for investigating ultrafast light-matter interaction under strong-field excitation, as their large band gaps suppress carrier injection and enable ultrafast charge manipulation. This property makes them promising candidates for field-driven optoelectronics, an emerging field that aims to coherently control the optical properties of insulators using intense few-femtosecond infrared pulses. By exploiting this regime, ultrafast light-matter interaction in solids may emerge as a fundamental paradigm for future technologies, enabling processing speeds far beyond those of present-day semiconductor electronics. In this context, lithium fluoride occupies a central position, as its band gap of 14.5 eV is the largest among known solid-state materials. In this thesis, sub-femtosecond dynamics in lithium fluoride are explored using transient reflection spectroscopy. This technique probes ultrafast dynamics initiated by a few-femtosecond infrared pump pulse with attosecond pulses in the 25-50 eV energy range, providing direct access to non-equilibrium charge dynamics in the deep conduction band. Under strong-field excitation, this energy region is characterized by a remarkably rich ultrafast response arising from the interplay between virtual charges and an excitonic state, which is hidden in static measurements but becomes strongly visible in pump-probe experiments. A combined theoretical effort based on time-dependent density functional theory and ab initio many-body perturbation theory enables an unambiguous identification of the observed dynamics as originating from a hybrid excitonic state deep in the conduction band of lithium fluoride. This work reports the first observation and characterization of these elusive quasiparticles, demonstrating that attosecond spectroscopy is uniquely sensitive to weakly visible excitons and highlighting the intrinsic limitations of static investigations of equilibrium properties of this wide-bandgap insulator.

Gli isolanti a largo gap di banda offrono una piattaforma unica per studiare l’interazione ultrarapida luce-materia sotto eccitazione a campo intenso, poiché i loro ampi gap di banda sopprimono l’iniezione di portatori e consentono una manipolazione ultrarapida delle loro proprietà ottiche. Questa proprietà li rende promettenti candidati per l’optoelettronica guidata dal campo, un campo emergente che mira a controllare in modo coerente le proprietà ottiche degli isolanti utilizzando impulsi infrarossi intensi della durata di pochi femtosecondi. Sfruttando questo regime, l’interazione ultrarapida luce-materia nei solidi potrebbe affermarsi come un paradigma fondamentale per le tecnologie future, permettendo velocità di elaborazione ben superiori a quelle dell’elettronica a semiconduttori attuale. In questo contesto, il fluoruro di litio occupa una posizione centrale, poiché il suo gap di banda di 14,5 eV è il più grande tra i materiali allo stato solido conosciuti. In questa tesi, le dinamiche ad attosecondi nel fluoruro di litio sono esplorate mediante spettroscopia di riflessione transiente. Questa tecnica indaga le dinamiche ultrarapide innescate da un impulso infrarosso di pompa della durata di pochi femtosecondi, utilizzando impulsi di attosecondi nell’intervallo energetico 25–50 eV, fornendo accesso diretto alle dinamiche di carica fuori equilibrio nella banda di conduzione profonda. Sotto eccitazione a campo intenso, questa regione energetica è caratterizzata da una risposta ultrarapida straordinariamente ricca, che nasce dall’interazione tra cariche virtuali e uno stato eccitonico, il quale è nascosto nelle misure statiche ma diventa fortemente visibile negli esperimenti pump-probe. Uno sforzo teorico combinato, basato su time-dependent density functional theory e ab initio many-body perturbation theory, consente un’identificazione inequivocabile delle dinamiche osservate come originate da uno stato eccitonico ibrido nella banda di conduzione profonda del fluoruro di litio. Questo lavoro riporta la prima osservazione e caratterizzazione di queste quasi-particelle elusive, dimostrando che la spettroscopia ad attosecondi è particolarmente sensibile agli eccitoni debolmente visibili e mettendo in evidenza i limiti intrinseci delle indagini statiche delle proprietà di equilibrio di questo isolante a largo gap di banda.