拿一根比人發更薄的玻璃線。用它作為兩種金屬之間的導線。使用持續百萬分之十億分之一秒的激光脈沖擊中它。

值得注意的事情發生了。

玻璃狀材料如此短暫地轉變成類似于金屬的東西。激光器在這個微小的電路上產生一股電流。它比任何傳統的發電方式和沒有施加電壓的速度快得多。此外，可以通過改變激光的形狀 - 通過改變其相位來簡單地控制電流的方向和大小。

現在羅切斯特大學的研究人員 - 他預測激光脈沖可以在理論上像納米級結一樣產生超快電流 - 相信他可以確切地解釋科學家在實際實驗中如何以及為何成功地創造這些電流。

“這標志著使用激光控制電子的新前沿，”化學和物理學助理教授伊格納西奧佛朗哥說。他與其團隊的博士后李立平以及大學的Yu Zhang和GuanHua Chen合作，通過計算模型重建和澄清實驗中發生的事情。由Franco的NSF CAREER獎項資助的這項工作發表在 Nature Communications上。

“你不會用這種方法制造汽車，但你將能夠以前所未有的速度產生電流，”佛朗哥說。“你將能夠開發出數十億分之一米(納米級)的電子電路，其運行速度達到十億分之一秒(飛秒)。但是，更重要的是，這是一個很好的例子，說明物質在遠離均衡時的行為方式有多么不同。激光振動納米結很難以完全改變其性質。這意味著我們可以用光來調整物質的行為。“

這正是能源部在列出電子水平物質控制時的想法 - 并且理解“非常遠離平衡”的物質 - 這是該國科學家面臨的主要挑戰之一。

從理論到實驗再到解釋

能源部 在2007年發布了這些 挑戰。同年，當時多倫多大學的博士生佛朗哥是“ 物理評論快報”中的一篇論文的主要作者， 理論上認為在暴露于分子線的分子線中會產生極其強大的超快電流。飛秒激光脈沖。

由線性碳鏈制成的分子線將連接到形成納米級結的金屬觸點。產生電流是因為稱為斯塔克效應的現象，其中物質的能級由于激光的外部電場的存在而移位，用于控制分子和金屬觸點之間的電平對準。

但這個理論提案仍然只是這樣。實際建立一個小的連接點，然后能夠記錄在激光器破壞導線之前發生的事情的挑戰，對于通過實際實驗驗證理論來說太令人生畏了。

直到2013年，由馬克斯普朗克量子光學研究所的Ferenc Krausz領導的研究人員才能通過將不同的納米結 - 玻璃連接兩個金電極 - 暴露于激光脈沖來產生超快電流。

佛朗哥說，所涉及的確切動力仍不清楚。其他研究人員提出了各種理論。但即使材料不同，佛朗哥也懷疑參與2007年論文中假設的相同斯塔克效應機制。

Franco說，為期四年的模擬工作，涉及數百萬計算小時的Blue Hive計算機處理，已經證實了這一點。“我們能夠使用最先進的計算方法恢復主要的實驗觀察結果，并對實驗觀察背后的機制進行非常簡單的描述，”他說。

佛朗哥說，這項研究說明了理論和實驗在推進科學方面是如何相互促進的。他說：“理論導致了一項沒有人真正理解的實驗，從而產生了更好的理論，這些理論現在可以帶來更好的實驗。” “這是一個我們仍然需要了解很多東西的領域，”他補充道。

他說，化學家傳統上研究了當材料處于或接近熱力學平衡時，分子結構與其可能的功能之間的關系。

“這項研究邀請您思考結構 - 函數關系，它們非常非常適用于均衡。”