Forskere bruger lys til at accelerere superstrømme, adgang til forbudt lys, kvanteverden

Forskere bruger lysbølger til at accelerere superstrømme og få adgang til de unikke egenskaber i kvanteverdenen, herunder forbudte lysemissioner, som en dag kunne anvendes på højhastighedstog, kvantecomputere, kommunikation og andre teknologier.

Forskerne har set uventede ting i superstrømme - elektricitet, der bevæger sig gennem materialer uden modstand, normalt ved super kolde temperaturer - der bryder symmetri og formodes at være forbudt ved de konventionelle fysiske love, sagde Jigang Wang, professor i fysik og astronomi ved Iowa State University, en seniorforsker ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory og leder af projektet.

Wangs laboratorium har været banebrydende for brugen af ​​lysimpulser ved terahertz-frekvenser- billioner af pulser pr. Sekund- til at accelerere elektronpar, kendt som Cooper -par, inden for superstrømme. I dette tilfælde, forskerne sporede lys udsendt af de accelererede elektronpar. Hvad de fandt var "anden harmonisk lysemission, "eller lyser med dobbelt så høj frekvens som det indgående lys, der bruges til at accelerere elektroner.

At, Wang sagde, er analog med farveskift fra det røde spektrum til det dybe blå.

"Disse andre harmoniske terahertz -emissioner formodes at være forbudt i superledere, "sagde han." Dette er imod den konventionelle visdom. "

Wang og hans samarbejdspartnere - herunder Ilias Perakis, professor og formand for fysik ved University of Alabama i Birmingham og Chang-beom Eom, Raymond R. Holton-formand for teknik og Theodore H. Geballe-professor ved University of Wisconsin-Madison-rapporterer deres opdagelse i et forskningsartikel, der netop er udgivet online af det videnskabelige tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

"Det forbudte lys giver os adgang til en eksotisk klasse af kvantefænomener-det er energien og partiklerne i den lille skala af atomer-kaldet forbudte Anderson-pseudospin-precessioner, "Sagde Perakis.

(Fænomenerne er opkaldt efter afdøde Philip W. Anderson, medvinder af Nobelprisen i fysik fra 1977, der gennemførte teoretiske undersøgelser af elektronbevægelser inden for uregelmæssige materialer såsom glas, der mangler en regelmæssig struktur.)

Wangs nylige undersøgelser er blevet muliggjort af et værktøj kaldet quantum terahertz spektroskopi, der kan visualisere og styre elektroner. Den bruger terahertz -laserblink som en betjeningsknap til at accelerere superstrømme og få adgang til nye og potentielt nyttige kvantetilstande. National Science Foundation har støttet udviklingen af ​​instrumentet samt den nuværende undersøgelse af forbudt lys.

Forskerne siger, at adgang til dette og andre kvantefænomener kan hjælpe med at drive store innovationer

"Ligesom nutidens gigahertz -transistorer og trådløse 5G -routere erstattede megahertz -vakuumrør eller termionventiler for mere end et halvt århundrede siden, forskere søger et spring fremad i designprincipper og nye enheder for at opnå kvanteberegning og kommunikationsevner, "sagde Perakis, med Alabama i Birmingham. "Find måder at kontrollere, få adgang til og manipulere kvanteverdenens særlige egenskaber og forbinde dem med virkelige problemer er et stort videnskabeligt skub i disse dage. National Science Foundation har inkluderet kvantestudier i sine '10 store ideer 'til fremtidig forskning og udvikling, der er kritisk for vores nation. "

Wang sagde, "Bestemmelsen og forståelsen af ​​symmetribrud i superledende tilstande er en ny grænse i både grundlæggende kvantematerialeopdagelse og praktisk kvanteinformationsvidenskab. Anden harmonisk generation er en grundlæggende symmetri -sonde. Dette vil være nyttigt i udviklingen af ​​fremtidige kvanteberegningsstrategier og elektronik med høje hastigheder og lavt energiforbrug. "

Inden de når dertil, selvom, forskere skal udforske mere i kvanteverdenen. Og denne forbudte anden harmoniske lysemission i superledere, Wang sagde, repræsenterer "en grundlæggende opdagelse af kvantemateriale."