Neem een ​​glasdraad duizend keer dunner dan een mensenhaar. Gebruik het als een draad tussen twee metalen. Raak het met een laserpuls die een miljoenste van een miljardste van een seconde duurt.

Er gebeuren opmerkelijke dingen.

Het glasachtige materiaal wordt heel even getransformeerd in iets dat lijkt op een metaal. En de laser genereert een stroomstoot door dit kleine elektrische circuit. Het doet dit veel sneller dan elke traditionele manier om elektriciteit te produceren en bij afwezigheid van een aangelegde spanning. Verder, de richting en grootte van de stroom kan eenvoudig worden geregeld door de vorm van de laser te variëren - door de fase ervan te veranderen.

Nu gelooft een onderzoeker van de Universiteit van Rochester - die voorspelde dat laserpulsen in theorie ultrasnelle stromen langs nanoschaalknooppunten zouden kunnen genereren - dat hij precies kan uitleggen hoe en waarom wetenschappers erin zijn geslaagd deze stromen in daadwerkelijke experimenten te creëren.

"Dit markeert een nieuwe grens in de controle van elektronen met behulp van lasers, " zegt Ignacio Franco, assistent-professor scheikunde en natuurkunde. Hij heeft samengewerkt met Liping Chen, een postdoctoraal medewerker in zijn groep, en met Yu Zhang en GuanHua Chen van de Universiteit van Hong Kong aan een rekenmodel om na te bootsen en te verduidelijken wat er in het experiment gebeurde. Dit werk, gefinancierd door Franco's NSF CAREER-prijs, is nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Hier bouw je geen auto van, maar je zult in staat zijn om sneller dan ooit stromen op te wekken, Franco zegt. "Je zult in staat zijn om elektronische circuits te ontwikkelen van enkele miljardsten van een meter lang [nanoschaal] die werken in een miljoenste van een miljardste van een seconde [femtoseconde] tijdschaal. Maar, belangrijker, dit is een prachtig voorbeeld van hoe materie zich anders kan gedragen als ze ver uit evenwicht wordt gedreven. De lasers schudden de nanojunctie zo hard dat deze zijn eigenschappen volledig verandert. Dit houdt in dat we licht kunnen gebruiken om het gedrag van materie af te stemmen."

Dit is precies wat het Amerikaanse ministerie van Energie in gedachten had toen het de beheersing van materie op het niveau van elektronen opsomde - en het begrijpen van materie "ver weg" van evenwicht - als een van de belangrijkste uitdagingen voor de wetenschappers van de natie.

Van theorie naar experiment naar uitleg

De DOE gaf die uitdagingen in 2007 uit. Datzelfde jaar, franco, vervolgens een doctoraatsstudent aan de Universiteit van Toronto, was hoofdauteur van een paper in Fysieke beoordelingsbrieven theoretiseren dat extreem krachtige, ultrasnelle elektrische stromen kunnen worden gegenereerd in moleculaire draden die worden blootgesteld aan femtoseconde laserpulsen.

De moleculaire draden, gemaakt van een lineaire koolstofketen, zou worden verbonden met metalen contacten die een knooppunt op nanoschaal vormen. De stroom zou worden gegenereerd omdat een fenomeen dat het Stark-effect wordt genoemd, waarin de energieniveaus van materie worden verschoven door de aanwezigheid van het externe elektrische veld van de laser, wordt gebruikt om de niveau-uitlijning tussen het molecuul en de metalen contacten te regelen.

Maar dit theoretische voorstel bleef precies dat. De uitdagingen van het daadwerkelijk bouwen van een knooppunt dat zo klein, en dan kunnen documenteren wat er gebeurde voordat de draden werden vernietigd door de lasers, waren te ontmoedigend om de theorie te valideren met daadwerkelijke experimenten.

Dat is tot 2013 toen onderzoekers onder leiding van Ferenc Krausz van het Max Planck Institute of Quantum Optics ultrasnelle stromen konden genereren door een andere nanojunctie - glas dat twee gouden elektroden verbindt - bloot te stellen aan laserpulsen.

De exacte dynamiek bleef onduidelijk, zegt Franco. Verschillende theorieën werden naar voren gebracht door andere onderzoekers. Maar hoewel de materialen anders waren, Franco vermoedde betrokkenheid van dezelfde Stark-effectmechanismen die in zijn paper uit 2007 werden verondersteld.

Een simulatie-inspanning van vier jaar, met miljoenen rekenuren van Blue Hive computerverwerking, hebben bevestigd dat, zegt Franco. "We waren in staat om de belangrijkste experimentele waarnemingen te herstellen met behulp van ultramoderne computermethoden, en een heel eenvoudig beeld te ontwikkelen van het mechanisme achter de experimentele waarnemingen, " hij zegt.

Het onderzoek illustreert hoe theorie en experiment elkaar versterken bij het bevorderen van de wetenschap, zegt Franco. "Theorie leidde tot een experiment dat niemand echt begreep, wat resulteert in betere theorieën die nu leiden tot betere experimenten", zegt hij. "Dit is een gebied waarop we nog veel moeten begrijpen, " hij voegt toe.

Chemici hebben van oudsher de relatie tussen de structuur van een molecuul en zijn mogelijke functies bestudeerd wanneer het materiaal zich in of nabij thermodynamisch evenwicht bevindt, hij zegt.

"Dit onderzoek nodigt uit om na te denken over structuur-functierelaties die zeer, heel ver verwijderd van evenwicht."