Fig. 1. Spettri di SHG e THG emessi dall'irradiazione di impulsi laser a 6 fs in un superconduttore organico, κ-(BEDT-TTF) 2 Cu[N(CN) 2 ]Fra. L'osservazione della SHG nei materiali centrosimmetrici indica una corrente non lineare che non può essere descritta dalla legge di Ohm. Il pannello di destra mostra la struttura cristallina del campione. Credito:NINS/IMS
Una corrente di petahertz polarizzata è pilotata da un laser ultracorto in un superconduttore organico. Questo è in contrasto con la credenza del senso comune che è giustificata dalla legge di Ohm, cioè., una corrente netta non può essere indotta da un campo elettrico oscillante di luce. La corrente aumenta vicino alla temperatura di transizione del superconduttore. La corrente di petahertz guidata dalla luce apre la strada al funzionamento ad alta velocità dei computer che è un milione di volte più veloce di quelli convenzionali.
Nella moderna tecnologia dell'informazione (IT), i dati vengono elaborati e trasportati dai movimenti degli elettroni in una CPU. Nei circuiti elettrici, gli elettroni si muovono nella direzione desiderata da un campo elettrico applicato. Una frequenza di accensione/spegnimento del moto dell'elettrone, che viene indicato come "clock della CPU", ad esempio, è un ordine di gigahertz (10 9 Hz).
D'altra parte, un campo di luce oscillante con una frequenza di petahertz (10 15 Hz) ha il potenziale per realizzare il funzionamento a petahertz della commutazione on-off. Se si possono spostare gli elettroni con la frequenza della luce, la velocità di elaborazione dei dati potrebbe essere un milione di volte superiore a quella dei computer convenzionali. Un'oscillazione elettromagnetica della luce ha, però, mai pilotato corrente polarizzata (cioè, la media temporale della corrente durante l'impulso luminoso è zero), perché il campo luminoso oscillante è temporalmente/spazialmente simmetrico. Ricercatori dell'Università di Tohoku, Università di Nagoya, Istituto di Scienze Molecolari, La Okayama Science University e la Chuo University sono riuscite a spostare gli elettroni in un superconduttore organico in una direzione specifica mediante irradiazione di impulsi laser ultracorti.
Fig. 2. (a) Dipendenza CEP (fase portante-inviluppo) di SHG (b) Dipendenza dalla temperatura di SHG. (La temperatura di transizione superconduttiva del campione è 11,5 K.) Credito:NINS/IMS
Secondo la legge di Ohm, una corrente indotta (e velocità degli elettroni) è proporzionale al campo elettrico applicato. Nota che vale la legge di Ohm, se gli elettroni vengono dispersi molte volte nei solidi. Infatti, la resistività dei materiali è determinata dai processi di scattering elettrone-elettrone e/o elettrone-fonone. Se il campo elettrico può essere applicato su una scala temporale più breve del tempo di scattering, però, gli elettroni nei solidi non hanno abbastanza tempo per essere mediati. Anziché, gli elettroni dovrebbero essere accelerati e generare una corrente netta polarizzata. Perciò, i ricercatori hanno tentato di realizzare una tale "corrente priva di dispersione" utilizzando impulsi laser ultracorti che sono sufficientemente più brevi del tempo di dispersione degli elettroni (circa 40 femtosecondi nei superconduttori organici).
Un ostacolo alla realizzazione di un tale esperimento è che il rilevamento elettrico di una corrente così breve è impossibile. Perciò, i ricercatori utilizzano il rilevamento ottico. La generazione della seconda armonica (SHG) è stata ben nota come il metodo per rilevare la rottura della simmetria elettronica come un momento di dipolo macroscopico nei materiali ferroelettrici. L'SHG può essere indotto anche dalla corrente polarizzata che è un altro tipo di rottura della simmetria elettronica.
I ricercatori fanno brillare il loro laser ultracorto con una larghezza di impulso di circa 6 fs (6 × 10 -15 s) su un superconduttore organico centrosimmetrico, κ-(BEDT-TTF) 2 Cu[N(CN) 2 ]Br, e rilevare una seconda generazione di armoniche (SHG). Questo è in contrasto con il senso comune perché l'SHG è generato solo nei materiali in cui la simmetria spaziale è rotta. La loro rilevazione dell'SHG nel materiale centrosimmetrico indica che durante l'irradiazione luminosa viene generata una corrente netta polarizzata.
Fig. 3. Illustrazione schematica dell'SHG indotto da una corrente non lineare di petahertz in un superconduttore organico composti κ-BEDT-TTF Credito:NINS/IMS
Per confermare una tale corrente polarizzata non lineare, i ricercatori studiano la dipendenza della fase carrier-envelope (CEP; fase relativa tra l'oscillazione della luce e il suo involucro) dell'SHG, perché la natura sensibile alla CEP è un comportamento caratteristico della corrente SHG indotta. Un cambiamento periodico dell'intensità dell'SHG in funzione del CEP è una prova che l'SHG osservato è effettivamente attribuibile alla corrente senza dispersione.
I ricercatori dimostrano inoltre che la relazione tra la corrente priva di scattering e la superconduttività. Il risultato attuale (Fig. 2b) mostra che l'SHG viene rilevato nell'intervallo di temperatura inferiore a 50 K (> temperatura di transizione superconduttiva ( T ns =11,5 K)). Il risultato mostra anche che l'intensità dell'SHG cresce rapidamente verso la temperatura di transizione inferiore a 25 K (∼2 × T ns ), indicando che la corrente senza scattering è sensibile a una "fluttuazione superconduttiva". In molti superconduttori, la fluttuazione superconduttiva, o semi microscopici di superconduttività, è stata trovata a temperature superiori alla transizione superconduttiva, e l'aumento dell'intensità della seconda armonica sembra essere correlato alle fluttuazioni superconduttive.
I ricercatori dicono, "Con un'ulteriore comprensione della corrente di petahertz non lineare senza scattering, potremmo essere in grado di realizzare computer con una velocità operativa di petahertz che è milioni di volte più veloce di quelle attuali di gigahertz. Questo fenomeno può essere utilizzato anche come strumento per chiarire il meccanismo microscopico degli stati superconduttori, perché è sensibile alla fluttuazione superconduttiva."
