Elektrisk strøm manipuleres af lys i en organisk superleder

En polariseret petahertz-strøm drives af en ultrakort laser i en organisk superleder. Dette er i modsætning til den sunde fornuft, som er begrundet i Ohms lov, dvs. en nettostrøm kan ikke induceres af et oscillerende elektrisk lysfelt. Strømmen øges nær den superledende overgangstemperatur. Den lysdrevne petahertz-strøm åbner en vej til højhastighedsdrift af computere, som er en million gange hurtigere end konventionelle.

I moderne informationsteknologi (IT), data behandles og bæres af elektronernes bevægelser i en CPU. I de elektriske kredsløb, elektronerne bevæger sig i en ønsket retning af et påført elektrisk felt. En frekvens af tænd-sluk-skift af elektronens bevægelse, som omtales som et "CPU-ur" for eksempel, er en ordre på gigahertz (10 ⁹ Hz).

På den anden side, et oscillerende lysfelt med en frekvens på petahertz (10 ¹⁵ Hz) har potentialet til at realisere petahertz-drift af tænd-sluk-kontakten. Hvis man kan flytte elektroner med lysfrekvensen, hastigheden af ​​databehandling kan være en million gange hurtigere end i konventionelle computere. En elektromagnetisk oscillation af lys har, imidlertid, aldrig drevet polariseret strøm (dvs. tidsgennemsnittet af strømmen under lysimpulsen er nul), fordi det oscillerende lysfelt er tidsmæssigt/rumligt symmetrisk. Forskere ved Tohoku University, Nagoya Universitet, Institut for Molekylær Videnskab, Okayama Science University og Chuo University er lykkedes med at flytte elektroner i en organisk superleder i en bestemt retning ved bestråling af ultrakorte laserimpulser.

Ifølge Ohms lov, en induceret strøm (og elektronernes hastighed) er proportional med det påførte elektriske felt. Bemærk, at Ohms lov gælder, hvis elektronerne er spredt mange gange i faste stoffer. Faktisk, materialernes resistivitet bestemmes af elektron-elektron- og/eller elektron-fonon-spredningsprocesserne. Hvis det elektriske felt kan påføres på tidsskalaen, der er kortere end spredningstiden, imidlertid, elektronerne i faste stoffer har ikke tid nok til at blive gennemsnittet. I stedet, elektronerne skal accelereres og generere en polariseret nettostrøm. Derfor, forskerne har forsøgt at realisere en sådan 'spredningsfri strøm' ved hjælp af ultrakorte laserimpulser, som er tilstrækkeligt kortere end elektronspredningstiden (ca. 40 femtosekunder i organiske superledere).

En hindring for at realisere et sådant eksperiment er, at elektrisk detektering af en så kort tid strøm er umulig. Derfor, forskerne anvender den optiske detektion. Anden harmonisk generation (SHG) har været velkendt som metoden til at detektere elektronisk symmetribrud, såsom et makroskopisk dipolmoment i ferroelektrik. SHG kan også induceres af den polariserede strøm, som er en anden type af elektronisk symmetribrud.

Forskerne skinner deres ultrakorte laser med en pulsbredde på omkring 6 fs (6 × 10 ^-15 s) på en organisk centrosymmetrisk superleder, κ-(BEDT-TTF) ₂ Cu[N(CN) ₂ ]Br, og detektere en anden harmonisk generation (SHG). Dette er i modsætning til den sunde fornuft, fordi SHG kun genereres i de materialer, hvor rumlig symmetri er brudt. Deres påvisning af SHG i det centrosymmetriske materiale indikerer, at der genereres en polariseret nettostrøm under lysbestrålingen.

For at bekræfte en sådan ikke-lineær polariseret strøm, forskerne undersøger carrier-envelope fase (CEP; relativ fase mellem oscillationen af ​​lys og dets envelope) afhængighed af SHG, fordi CEP-følsom natur er en karakteristisk adfærd for det strøminducerede SHG. En periodisk ændring af SHG-intensiteten som funktion af CEP er et bevis på, at det observerede SHG faktisk kan tilskrives den spredningsfrie strøm.

Forskerne viser yderligere, at forholdet mellem den spredningsfrie strøm og superledningsevnen. Det nuværende resultat (fig. 2b) viser, at SHG detekteres ved temperaturområdet under 50 K (> superledende overgangstemperatur ( T _SC =11,5 K)). Resultatet viser også, at intensiteten af ​​SHG hurtigt vokser mod overgangstemperaturen under 25 K (~2 × T _SC ), hvilket indikerer, at den spredningsfrie strøm er følsom over for en "superledende udsving". I mange superledere, den superledende udsving, eller mikroskopiske frø af superledningsevne, er blevet fundet ved temperaturer højere end den superledende overgang, og stigningen i intensiteten af ​​den anden harmoniske synes at være relateret til de superledende fluktuationer.

Forskerne siger, "Med yderligere forståelse af den spredningsfrie ikke-lineære petahertz-strøm, vi kan muligvis lave computere med en driftshastighed på petahertz, som er millioner gange hurtigere end de nuværende gigahertz. Dette fænomen kan også bruges som et værktøj til at belyse den mikroskopiske mekanisme af superledende tilstande, fordi den er følsom over for superledende udsving."