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(wàn)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(gè)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(méi)有施加電壓的速度快得多。此外，可以通過(guò)改變激光的形狀 - 通過(guò)改變其相位來(lái)簡(jiǎn)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(cè)激光脈沖可以在理論上像納米級(jí)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(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shuō)。他與其團(tuán)隊(duì)的博士后李立平以及大學(xué)的Yu Zhang和GuanHua Chen合作，通過(guò)計(jì)算模型重建和澄清實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的事情。由Franco的NSF CAREER獎(jiǎng)項(xiàng)資助的這項(xiàng)工作發(fā)表在 Nature Communications上。

“你不會(huì)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(shuō)。“你將能夠開(kāi)發(fā)出數(shù)十億分之一米(納米級(jí))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(gè)很好的例子，說(shuō)明物質(zhì)在遠(yuǎn)離均衡時(shí)的行為方式有多么不同。激光振動(dòng)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(lái)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(shí)的想法 - 并且理解“非常遠(yuǎn)離平衡”的物質(zhì) - 這是該國(guó)科學(xué)家面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

從理論到實(shí)驗(yàn)再到解釋

能源部 在2007年發(fā)布了這些 挑戰(zhàn)。同年，當(dāng)時(shí)多倫多大學(xué)的博士生佛朗哥是“ 物理評(píng)論快報(bào)”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(huì)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(jí)結(jié)的金屬觸點(diǎn)。產(chǎn)生電流是因?yàn)榉Q為斯塔克效應(yīng)的現(xiàn)象，其中物質(zhì)的能級(jí)由于激光的外部電場(chǎng)的存在而移位，用于控制分子和金屬觸點(diǎn)之間的電平對(duì)準(zhǔn)。

但這個(gè)理論提案仍然只是這樣。實(shí)際建立一個(gè)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(duì)于通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論來(lái)說(shuō)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(guò)將不同的納米結(jié) - 玻璃連接兩個(gè)金電極 - 暴露于激光脈沖來(lái)產(chǎn)生超快電流。

佛朗哥說(shuō)，所涉及的確切動(dòng)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(shuō)，為期四年的模擬工作，涉及數(shù)百萬(wàn)計(jì)算小時(shí)的Blue Hive計(jì)算機(jī)處理，已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。“我們能夠使用最先進(jìn)的計(jì)算方法恢復(fù)主要的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察背后的機(jī)制進(jìn)行非常簡(jiǎn)單的描述，”他說(shuō)。

佛朗哥說(shuō)，這項(xiàng)研究說(shuō)明了理論和實(shí)驗(yàn)在推進(jìn)科學(xué)方面是如何相互促進(jìn)的。他說(shuō)：“理論導(dǎo)致了一項(xiàng)沒(méi)有人真正理解的實(shí)驗(yàn)，從而產(chǎn)生了更好的理論，這些理論現(xiàn)在可以帶來(lái)更好的實(shí)驗(yàn)。” “這是一個(gè)我們?nèi)匀恍枰私夂芏鄸|西的領(lǐng)域，”他補(bǔ)充道。

他說(shuō)，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(shí)，分子結(jié)構(gòu)與其可能的功能之間的關(guān)系。

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