Laserudbrud genererer elektricitet hurtigere end nogen anden metode

Tag en glastråd tusind gange tyndere end et menneskehår. Brug den som en ledning mellem to metaller. Slå den med en laserpuls, der varer en milliontedel af en milliarddel af et sekund.

Der sker bemærkelsesværdige ting.

Det glaslignende materiale omdannes så kort til noget, der ligner et metal. Og laseren genererer en strøm af elektrisk strøm over dette lille elektriske kredsløb. Det gør så langt hurtigere end nogen traditionel måde at producere elektricitet og i mangel af en påført spænding. Yderligere, Strømmens retning og størrelse kan styres ganske enkelt ved at variere laserens form - ved at ændre dens fase.

Nu mener en forsker ved University of Rochester - der forudsagde laserimpulser kunne generere ultrahurtige strømme langs nanoskala -kryds som dette i teorien - at han kan forklare præcis, hvordan og hvorfor forskere lykkedes at skabe disse strømme i egentlige eksperimenter.

"Dette markerer en ny grænse for kontrol af elektroner ved hjælp af lasere, "siger Ignacio Franco, adjunkt i kemi og fysik. Han har samarbejdet med Liping Chen, en postdoktor i sin gruppe, og med Yu Zhang og GuanHua Chen ved University of Hong Kong om en beregningsmodel for at genskabe og afklare, hvad der skete i forsøget. Dette arbejde finansieret af Francos NSF CAREER -pris er nu offentliggjort i Naturkommunikation .

"Du vil ikke bygge en bil ud af dette, men du vil være i stand til at generere strømme hurtigere end nogensinde før, "Franco siger." Du vil være i stand til at udvikle elektroniske kredsløb på et par milliarddeler af en meter [nanoskala], der fungerer i en milliontedel af en milliardtedel af en anden [femtosekund] tidsskala. Men, vigtigere, dette er et vidunderligt eksempel på, hvordan forskelligt stof kan opføre sig, når det drives langt fra ligevægt. Laserne ryster nanojunctionen så hårdt, at den fuldstændigt ændrer dens egenskaber. Dette indebærer, at vi kan bruge lys til at afstemme materiens adfærd. "

Dette er præcis, hvad det amerikanske energiministerium havde i tankerne, da det opregnede kontrollen med stof på elektronernes niveau - og forstod stof "meget langt væk" fra ligevægt - blandt dets vigtigste udfordringer for landets forskere.

Fra teori til eksperiment til forklaring

DOE udsendte disse udfordringer i 2007. Samme år, Franco, derefter en doktorand ved University of Toronto, var hovedforfatter til et papir i Fysisk gennemgangsbreve teoretiserer, at ekstremt kraftfuld, ultrahurtige elektriske strømme kunne genereres i molekylære ledninger udsat for femtosekund laserpulser.

De molekylære ledninger, lavet af en lineær kulkæde, ville være forbundet til metalliske kontakter, der danner et nanoskala -kryds. Strømmen ville blive genereret, fordi et fænomen kaldet Stark -effekten, hvor materiens energiniveauer forskydes på grund af tilstedeværelsen af ​​laserens eksterne elektriske felt, bruges til at kontrollere niveaujustering mellem molekylet og de metalliske kontakter.

Men dette teoretiske forslag forblev netop det. Udfordringerne ved faktisk at bygge et kryds, der er så lille, og derefter kunne dokumentere, hvad der skete, før ledningerne blev ødelagt af laserne, var for skræmmende til at validere teorien med egentlige eksperimenter.

Det er indtil 2013, da forskere ledet af Ferenc Krausz ved Max Planck Institute of Quantum Optics var i stand til at generere ultrahurtige strømme ved at udsætte en anden nanojunction - glas, der forbinder to guldelektroder - for laserpulser.

Den nøjagtige dynamik involveret forblev uklar, Siger Franco. Forskellige teorier blev fremført af andre forskere. Men selvom materialerne var forskellige, Franco mistanke om inddragelse af de samme Stark -effektmekanismer, der blev antaget i sit papir fra 2007.

En fireårig simuleringsindsats, involverer millioner af computertimer med Blue Hive -computerbehandling, har bekræftet, at siger Franco. "Vi var i stand til at gendanne de vigtigste eksperimentelle observationer ved hjælp af state-of-the-art beregningsmetoder, og udvikle et meget enkelt billede af mekanismen bag de eksperimentelle observationer, " han siger.

Forskningen illustrerer, hvordan teori og eksperiment gensidigt forstærker i at fremme videnskab, Siger Franco. "Teori førte til et eksperiment, som ingen rigtig forstod, resulterer i bedre teorier, der nu fører til bedre eksperimenter "siger han." Dette er et område, hvor vi stadig har mange ting at forstå, "tilføjer han.

Kemikere har traditionelt undersøgt forholdet mellem et molekyls struktur og dets mulige funktioner, når materialet er ved eller nær termodynamisk ligevægt, han siger.

"Denne forskning inviterer dig til at tænke over struktur-funktion-relationer, der gælder meget, meget langt væk fra ligevægt. "