激光爆发比任何其他方法更快地发电

拿一根比人发更薄的玻璃线。用它作为两种金属之间的导线。使用持续百万分之十亿分之一秒的激光脉冲击中它。

值得注意的事情发生了。

玻璃状材料如此短暂地转变成类似于金属的东西。激光器在这个微小的电路上产生一股电流。它比任何传统的发电方式和没有施加电压的速度快得多。此外，可以通过改变激光的形状 - 通过改变其相位来简单地控制电流的方向和大小。

现在罗切斯特大学的研究人员 - 他预测激光脉冲可以在理论上像纳米级结一样产生超快电流 - 相信他可以确切地解释科学家在实际实验中如何以及为何成功地创造这些电流。

“这标志着使用激光控制电子的新前沿，”化学和物理学助理教授伊格纳西奥佛朗哥说。他与其团队的博士后李立平以及大学的Yu Zhang和GuanHua Chen合作，通过计算模型重建和澄清实验中发生的事情。由Franco的NSF CAREER奖项资助的这项工作发表在 Nature Communications上。

“你不会用这种方法制造汽车，但你将能够以前所未有的速度产生电流，”佛朗哥说。“你将能够开发出数十亿分之一米(纳米级)的电子电路，其运行速度达到十亿分之一秒(飞秒)。但是，更重要的是，这是一个很好的例子，说明物质在远离均衡时的行为方式有多么不同。激光振动纳米结很难以完全改变其性质。这意味着我们可以用光来调整物质的行为。“

这正是能源部在列出电子水平物质控制时的想法 - 并且理解“非常远离平衡”的物质 - 这是该国科学家面临的主要挑战之一。

从理论到实验再到解释

能源部 在2007年发布了这些 挑战。同年，当时多伦多大学的博士生佛朗哥是“ 物理评论快报”中的一篇论文的主要作者， 理论上认为在暴露于分子线的分子线中会产生极其强大的超快电流。飞秒激光脉冲。

由线性碳链制成的分子线将连接到形成纳米级结的金属触点。产生电流是因为称为斯塔克效应的现象，其中物质的能级由于激光的外部电场的存在而移位，用于控制分子和金属触点之间的电平对准。

但这个理论提案仍然只是这样。实际建立一个小的连接点，然后能够记录在激光器破坏导线之前发生的事情的挑战，对于通过实际实验验证理论来说太令人生畏了。

直到2013年，由马克斯普朗克量子光学研究所的Ferenc Krausz领导的研究人员才能通过将不同的纳米结 - 玻璃连接两个金电极 - 暴露于激光脉冲来产生超快电流。

佛朗哥说，所涉及的确切动力仍不清楚。其他研究人员提出了各种理论。但即使材料不同，佛朗哥也怀疑参与2007年论文中假设的相同斯塔克效应机制。

Franco说，为期四年的模拟工作，涉及数百万计算小时的Blue Hive计算机处理，已经证实了这一点。“我们能够使用最先进的计算方法恢复主要的实验观察结果，并对实验观察背后的机制进行非常简单的描述，”他说。

佛朗哥说，这项研究说明了理论和实验在推进科学方面是如何相互促进的。他说：“理论导致了一项没有人真正理解的实验，从而产生了更好的理论，这些理论现在可以带来更好的实验。” “这是一个我们仍然需要了解很多东西的领域，”他补充道。

他说，化学家传统上研究了当材料处于或接近热力学平衡时，分子结构与其可能的功能之间的关系。

“这项研究邀请您思考结构 - 函数关系，它们非常非常适用于均衡。”