Wetenschappers gebruiken lichtgolven om superstromen te versnellen en toegang te krijgen tot de unieke eigenschappen van de kwantumwereld, inclusief verboden lichtemissies die ooit zouden kunnen worden toegepast op hoge snelheid, kwantumcomputers, communicatie en andere technologieën.

De wetenschappers hebben onverwachte dingen gezien in superstromen:elektriciteit die zonder weerstand door materialen beweegt, meestal bij superkoude temperaturen - die de symmetrie doorbreken en worden verondersteld te zijn verboden door de conventionele natuurwetten, zei Jigang Wang, een professor in de natuurkunde en astronomie aan de Iowa State University, een senior wetenschapper bij het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en de leider van het project.

Wang's lab is een pionier in het gebruik van lichtpulsen met terahertz-frequenties - biljoenen pulsen per seconde - om elektronenparen te versnellen, bekend als Cooper-paren, binnen superstromen. In dit geval, de onderzoekers volgden het licht dat werd uitgezonden door de versnelde elektronenparen. Wat ze vonden waren "tweede harmonische lichtemissies, " of licht met tweemaal de frequentie van het binnenkomende licht dat wordt gebruikt om elektronen te versnellen.

Dat, Wang zei, is analoog aan kleurverschuiving van het rode spectrum naar het diepblauwe.

"Deze tweede harmonische terahertz-emissies zouden verboden zijn in supergeleiders, " zei hij. "Dit is tegen de conventionele wijsheid."

Wang en zijn medewerkers, waaronder Ilias Perakis, professor en voorzitter van de natuurkunde aan de Universiteit van Alabama in Birmingham en Chang-beom Eom, de Raymond R. Holton Chair for Engineering en Theodore H. Geballe Professor aan de University of Wisconsin-Madison - rapporteren hun ontdekking in een onderzoekspaper dat zojuist online is gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het verboden licht geeft ons toegang tot een exotische klasse van kwantumverschijnselen - dat is de energie en deeltjes op de kleine schaal van atomen - die verboden Anderson pseudo-spin precessies worden genoemd, ' zei Perakis.

(De verschijnselen zijn genoemd naar wijlen Philip W. Anderson, mede-winnaar van de Nobelprijs voor natuurkunde van 1977 die theoretische studies deed naar elektronenbewegingen in ongeordende materialen zoals glas die geen regelmatige structuur hebben.)

De recente studies van Wang zijn mogelijk gemaakt door een hulpmiddel genaamd kwantum terahertz-spectroscopie dat elektronen kan visualiseren en sturen. Het gebruikt terahertz-laserflitsen als bedieningsknop om superstromen te versnellen en toegang te krijgen tot nieuwe en potentieel bruikbare kwantumtoestanden van materie. De National Science Foundation heeft de ontwikkeling van het instrument ondersteund, evenals de huidige studie van verboden licht.

De wetenschappers zeggen dat toegang tot dit en andere kwantumfenomenen belangrijke innovaties kan stimuleren

"Net zoals de hedendaagse gigahertz-transistors en 5G draadloze routers meer dan een halve eeuw geleden megahertz-vacuümbuizen of thermionische kleppen vervingen, wetenschappers zoeken naar een sprong voorwaarts in ontwerpprincipes en nieuwe apparaten om kwantumcomputer- en communicatiemogelijkheden te bereiken, " zei Perakis, met Alabama in Birmingham. "Manieren vinden om te controleren, toegang krijgen tot en manipuleren van de speciale kenmerken van de kwantumwereld en deze verbinden met problemen in de echte wereld is tegenwoordig een belangrijke wetenschappelijke push. De National Science Foundation heeft kwantumstudies opgenomen in haar '10 Big Ideas' voor toekomstig onderzoek en ontwikkeling die van cruciaal belang zijn voor onze natie."

Wang zei, "De bepaling en het begrip van het breken van symmetrie in supergeleidende toestanden is een nieuwe grens in zowel fundamentele ontdekking van kwantummaterie als praktische kwantuminformatiewetenschap. Tweede harmonische generatie is een fundamentele symmetrie-sonde. Dit zal nuttig zijn bij de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputerstrategieën en elektronica met hoge snelheden en een laag energieverbruik."

Voordat ze daar kunnen komen, Hoewel, onderzoekers moeten meer onderzoek doen naar de kwantumwereld. En deze verboden tweede harmonische lichtemissie in supergeleiders, Wang zei, staat voor "een fundamentele ontdekking van kwantummaterie."