Gli scienziati stanno usando le onde luminose per accelerare le supercorrenti e accedere alle proprietà uniche del mondo quantistico, comprese le emissioni luminose proibite che un giorno potrebbero essere applicate all'alta velocità, computer quantistici, comunicazioni e altre tecnologie.

Gli scienziati hanno visto cose inaspettate nelle supercorrenti:elettricità che si muove attraverso i materiali senza resistenza, di solito a temperature super fredde, che rompono la simmetria e dovrebbero essere proibite dalle leggi convenzionali della fisica, disse Jigang Wang, professore di fisica e astronomia alla Iowa State University, uno scienziato senior presso l'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il leader del progetto.

Il laboratorio di Wang ha aperto la strada all'uso di impulsi luminosi a frequenze terahertz, trilioni di impulsi al secondo, per accelerare le coppie di elettroni, note come coppie Cooper, all'interno di supercorrenti. In questo caso, i ricercatori hanno tracciato la luce emessa dalle coppie di elettroni accelerati. Quello che hanno trovato sono state "emissioni di luce di seconda armonica, " o luce al doppio della frequenza della luce in entrata utilizzata per accelerare gli elettroni.

Quella, Wang ha detto, è analogo al cambiamento di colore dallo spettro rosso al blu profondo.

"Queste emissioni di terahertz di seconda armonica dovrebbero essere vietate nei superconduttori, " ha detto. "Questo è contro la saggezza convenzionale."

Wang e i suoi collaboratori, tra cui Ilias Perakis, professore e cattedra di fisica presso l'Università dell'Alabama a Birmingham e Chang-beom Eom, la Raymond R. Holton Chair for Engineering e Theodore H. Geballe Professor presso l'Università del Wisconsin-Madison, riportano la loro scoperta in un documento di ricerca appena pubblicato online dalla rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

"La luce proibita ci dà accesso a una classe esotica di fenomeni quantistici, ovvero l'energia e le particelle su piccola scala degli atomi, chiamate precessioni pseudo-spin di Anderson proibite, " disse Perakis.

(I fenomeni prendono il nome dal compianto Philip W. Anderson, co-vincitore del Premio Nobel per la Fisica 1977 che ha condotto studi teorici sui movimenti degli elettroni all'interno di materiali disordinati come il vetro che mancano di una struttura regolare.)

I recenti studi di Wang sono stati resi possibili da uno strumento chiamato spettroscopia quantistica terahertz che può visualizzare e guidare gli elettroni. Utilizza flash laser terahertz come manopola di controllo per accelerare le supercorrenti e accedere a stati quantistici della materia nuovi e potenzialmente utili. La National Science Foundation ha sostenuto lo sviluppo dello strumento e l'attuale studio della luce proibita.

Gli scienziati affermano che l'accesso a questo e ad altri fenomeni quantistici potrebbe aiutare a guidare importanti innovazioni

"Proprio come i transistor gigahertz e i router wireless 5G di oggi hanno sostituito i tubi a vuoto megahertz o le valvole termoioniche oltre mezzo secolo fa, gli scienziati stanno cercando un balzo in avanti nei principi di progettazione e nuovi dispositivi al fine di ottenere capacità di comunicazione e calcolo quantistico, " disse Perakis, con l'Alabama a Birmingham. "Trovare modi per controllare, accedere e manipolare le caratteristiche speciali del mondo quantistico e collegarle ai problemi del mondo reale è una grande spinta scientifica in questi giorni. La National Science Foundation ha incluso gli studi quantistici nelle sue "10 grandi idee" per la ricerca e lo sviluppo futuri fondamentali per la nostra nazione".

Wang ha detto, "La determinazione e la comprensione della rottura della simmetria negli stati superconduttori è una nuova frontiera sia nella scoperta della materia quantistica fondamentale che nella scienza dell'informazione quantistica pratica. La generazione della seconda armonica è una sonda di simmetria fondamentale. Ciò sarà utile nello sviluppo di future strategie di calcolo quantistico ed elettronica con alte velocità e basso consumo energetico."

Prima che possano arrivarci, anche se, i ricercatori devono esplorare di più il mondo quantistico. E questa proibita emissione di luce di seconda armonica nei superconduttori, Wang ha detto, rappresenta "una scoperta fondamentale della materia quantistica".