激光爆發(fā)比任何其他方法更快地發(fā)電

拿一根比人發(fā)更薄的玻璃線。用它作為兩種金屬之間的導(dǎo)線。使用持續(xù)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(fā)生了。

玻璃狀材料如此短暫地轉(zhuǎn)變成類似于金屬的東西。激光器在這個微小的電路上產(chǎn)生一股電流。它比任何傳統(tǒng)的發(fā)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(xiàn)在羅切斯特大學(xué)的研究人員 - 他預(yù)測激光脈沖可以在理論上像納米級結(jié)一樣產(chǎn)生超快電流 - 相信他可以確切地解釋科學(xué)家在實際實驗中如何以及為何成功地創(chuàng)造這些電流。

“這標(biāo)志著使用激光控制電子的新前沿，”化學(xué)和物理學(xué)助理教授伊格納西奧佛朗哥說。他與其團(tuán)隊的博士后李立平以及大學(xué)的Yu Zhang和GuanHua Chen合作，通過計算模型重建和澄清實驗中發(fā)生的事情。由Franco的NSF CAREER獎項資助的這項工作發(fā)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(chǎn)生電流，”佛朗哥說。“你將能夠開發(fā)出數(shù)十億分之一米(納米級)的電子電路，其運(yùn)行速度達(dá)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(zhì)在遠(yuǎn)離均衡時的行為方式有多么不同。激光振動納米結(jié)很難以完全改變其性質(zhì)。這意味著我們可以用光來調(diào)整物質(zhì)的行為。“

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

從理論到實驗再到解釋

能源部 在2007年發(fā)布了這些 挑戰(zhàn)。同年，當(dāng)時多倫多大學(xué)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(rèn)為在暴露于分子線的分子線中會產(chǎn)生極其強(qiáng)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(jié)的金屬觸點(diǎn)。產(chǎn)生電流是因為稱為斯塔克效應(yīng)的現(xiàn)象，其中物質(zhì)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(diǎn)之間的電平對準(zhǔn)。

但這個理論提案仍然只是這樣。實際建立一個小的連接點(diǎn)，然后能夠記錄在激光器破壞導(dǎo)線之前發(fā)生的事情的挑戰(zhàn)，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(xué)研究所的Ferenc Krausz領(lǐng)導(dǎo)的研究人員才能通過將不同的納米結(jié) - 玻璃連接兩個金電極 - 暴露于激光脈沖來產(chǎn)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(shè)的相同斯塔克效應(yīng)機(jī)制。

Franco說，為期四年的模擬工作，涉及數(shù)百萬計算小時的Blue Hive計算機(jī)處理，已經(jīng)證實了這一點(diǎn)。“我們能夠使用最先進(jìn)的計算方法恢復(fù)主要的實驗觀察結(jié)果，并對實驗觀察背后的機(jī)制進(jìn)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(jìn)科學(xué)方面是如何相互促進(jìn)的。他說：“理論導(dǎo)致了一項沒有人真正理解的實驗，從而產(chǎn)生了更好的理論，這些理論現(xiàn)在可以帶來更好的實驗。” “這是一個我們?nèi)匀恍枰私夂芏鄸|西的領(lǐng)域，”他補(bǔ)充道。

他說，化學(xué)家傳統(tǒng)上研究了當(dāng)材料處于或接近熱力學(xué)平衡時，分子結(jié)構(gòu)與其可能的功能之間的關(guān)系。

“這項研究邀請您思考結(jié)構(gòu) - 函數(shù)關(guān)系，它們非常非常適用于均衡。”