Prendi un filo di vetro mille volte più sottile di un capello umano. Usalo come un filo tra due metalli. Colpiscilo con un impulso laser che dura un milionesimo di miliardesimo di secondo.

Succedono cose notevoli.

Il materiale simile al vetro si trasforma in breve tempo in qualcosa di simile a un metallo. E il laser genera un'esplosione di corrente elettrica attraverso questo minuscolo circuito elettrico. Lo fa molto più velocemente di qualsiasi modo tradizionale di produrre elettricità e in assenza di una tensione applicata. Ulteriore, la direzione e l'intensità della corrente possono essere controllate semplicemente variando la forma del laser, cambiando la sua fase.

Ora un ricercatore dell'Università di Rochester, che ha previsto che gli impulsi laser potrebbero generare correnti ultraveloci lungo giunzioni su nanoscala come questa in teoria, crede di poter spiegare esattamente come e perché gli scienziati sono riusciti a creare queste correnti in esperimenti reali.

"Questo segna una nuova frontiera nel controllo degli elettroni mediante laser, "dice Ignacio Franco, professore assistente di chimica e fisica. Ha collaborato con Liping Chen, un associato post-dottorato nel suo gruppo, e con Yu Zhang e GuanHua Chen all'Università di Hong Kong su un modello computazionale per ricreare e chiarire cosa è successo nell'esperimento. Questo lavoro finanziato dal premio NSF CAREER di Franco è ora pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

"Non costruirai una macchina con questo, ma sarai in grado di generare correnti più velocemente che mai, Dice Franco. “Sarete in grado di sviluppare circuiti elettronici lunghi pochi miliardesimi di metro [nanoscala] che operano in una scala temporale di un milionesimo di miliardesimo di secondo [femtosecondo]. Ma, ma ancora più importante, questo è un meraviglioso esempio di come la materia possa comportarsi diversamente quando viene spinta lontano dall'equilibrio. I laser scuotono la nanogiunzione così forte che cambia completamente le sue proprietà. Ciò implica che possiamo usare la luce per regolare il comportamento della materia".

Questo è esattamente ciò che il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti aveva in mente quando ha elencato il controllo della materia a livello di elettroni - e la comprensione della materia "molto lontana" dall'equilibrio - tra le sfide chiave per gli scienziati della nazione.

Dalla teoria all'esperimento alla spiegazione

Il DOE ha lanciato queste sfide nel 2007. Nello stesso anno, Franco, poi studente di dottorato all'Università di Toronto, è stato l'autore principale di un articolo in Lettere di revisione fisica teorizzando che estremamente potente, correnti elettriche ultraveloci potrebbero essere generate in fili molecolari esposti a impulsi laser a femtosecondi.

I fili molecolari, costituito da una catena lineare di carbonio, sarebbero collegati a contatti metallici formando una giunzione su scala nanometrica. La corrente verrebbe generata perché un fenomeno chiamato effetto Stark, in cui i livelli energetici della materia vengono spostati a causa della presenza del campo elettrico esterno del laser, viene utilizzato per controllare l'allineamento del livello tra la molecola e i contatti metallici.

Ma questa proposta teorica è rimasta solo quella. Le sfide di costruire effettivamente un incrocio così piccolo, e poi essere in grado di documentare cosa è successo prima che i fili venissero distrutti dai laser, erano troppo scoraggianti per convalidare la teoria con esperimenti reali.

Questo fino al 2013, quando i ricercatori guidati da Ferenc Krausz presso il Max Planck Institute of Quantum Optics sono stati in grado di generare correnti ultraveloci esponendo una diversa nanogiunzione, il vetro che collega due elettrodi d'oro, agli impulsi laser.

L'esatta dinamica coinvolta è rimasta poco chiara, dice Franco. Varie teorie sono state avanzate da altri ricercatori. Ma anche se i materiali erano diversi, Franco sospettava il coinvolgimento degli stessi meccanismi di effetto Stark ipotizzati nel suo articolo del 2007.

Uno sforzo di simulazione di quattro anni, coinvolgendo milioni di ore di calcolo di elaborazione del computer Blue Hive, hanno confermato che, dice Franco. "Siamo stati in grado di recuperare le principali osservazioni sperimentali utilizzando metodi computazionali all'avanguardia, e sviluppare un quadro molto semplice del meccanismo alla base delle osservazioni sperimentali, " lui dice.

La ricerca illustra come la teoria e l'esperimento si rafforzano a vicenda nel far progredire la scienza, dice Franco. "La teoria ha portato a un esperimento che nessuno ha veramente capito, risultando in teorie migliori che ora stanno portando a esperimenti migliori", afferma. "Questa è un'area in cui abbiamo ancora molte cose da capire, " Aggiunge.

I chimici hanno tradizionalmente studiato la relazione tra la struttura di una molecola e le sue possibili funzioni quando il materiale è all'equilibrio termodinamico o quasi, lui dice.

"Questa ricerca invita a pensare a relazioni struttura-funzione che si applicano molto, molto lontano dall'equilibrio».