Pegue um fio de vidro mil vezes mais fino que um fio de cabelo humano. Use-o como um fio entre dois metais. Acerte-o com um pulso de laser que dura um milionésimo de um bilionésimo de segundo.

Coisas notáveis ​​acontecem.

O material semelhante ao vidro é transformado rapidamente em algo semelhante a um metal. E o laser gera uma explosão de corrente elétrica neste minúsculo circuito elétrico. Ele faz até agora mais rápido do que qualquer forma tradicional de produção de eletricidade e na ausência de uma tensão aplicada. Avançar, a direção e a magnitude da corrente podem ser controladas simplesmente variando a forma do laser - mudando sua fase.

Agora, um pesquisador da Universidade de Rochester - que previu que pulsos de laser poderiam gerar correntes ultrarrápidas ao longo de junções em nanoescala como essa em teoria - acredita que pode explicar exatamente como e por que os cientistas tiveram sucesso em criar essas correntes em experimentos reais.

"Isso marca uma nova fronteira no controle de elétrons usando lasers, "diz Ignacio Franco, professor assistente de química e física. Ele colaborou com Liping Chen, um associado de pós-doutorado em seu grupo, e com Yu Zhang e GuanHua Chen na Universidade de Hong Kong em um modelo computacional para recriar e esclarecer o que aconteceu no experimento. Este trabalho financiado pelo prêmio NSF CAREER de Franco é agora publicado em Nature Communications .

"Você não vai construir um carro com isso, mas você será capaz de gerar correntes mais rápido do que nunca, "Franco diz." Você será capaz de desenvolver circuitos eletrônicos de alguns bilionésimos de metro de comprimento [em nanoescala] que operam em uma escala de tempo de um milionésimo de bilionésimo de segundo [femtossegundo]. Mas, mais importante, este é um exemplo maravilhoso de como a matéria pode se comportar de maneira diferente quando levada para longe do equilíbrio. Os lasers agitam a nanojunção com tanta força que ela muda completamente suas propriedades. Isso implica que podemos usar a luz para ajustar o comportamento da matéria. "

Isso é exatamente o que o Departamento de Energia dos Estados Unidos tinha em mente quando listou o controle da matéria no nível dos elétrons - e a compreensão da matéria "muito longe" do equilíbrio - entre seus principais desafios para os cientistas do país.

Da teoria ao experimento e à explicação

O DOE lançou esses desafios em 2007. Nesse mesmo ano, Franco, em seguida, um estudante de doutorado na Universidade de Toronto, foi o autor principal de um artigo em Cartas de revisão física teorizando que extremamente poderoso, correntes elétricas ultrarrápidas podem ser geradas em fios moleculares expostos a pulsos de laser de femtossegundos.

Os fios moleculares, feito de uma cadeia de carbono linear, seria conectado a contatos metálicos formando uma junção em nanoescala. A corrente seria gerada porque um fenômeno chamado efeito Stark, em que os níveis de energia da matéria são deslocados devido à presença do campo elétrico externo do laser, é usado para controlar o alinhamento de nível entre a molécula e os contatos metálicos.

Mas essa proposta teórica permaneceu apenas isso. Os desafios de realmente construir uma junção tão pequena, e, então, ser capaz de documentar o que aconteceu antes de os fios serem destruídos pelos lasers, eram muito assustadores para validar a teoria com experimentos reais.

Isso é até 2013, quando pesquisadores liderados por Ferenc Krausz no Instituto Max Planck de Óptica Quântica foram capazes de gerar correntes ultrarrápidas expondo uma nanojunção diferente - vidro conectando dois eletrodos de ouro - a pulsos de laser.

A dinâmica exata envolvida permaneceu obscura, Franco diz. Várias teorias foram propostas por outros pesquisadores. Mas embora os materiais fossem diferentes, Franco suspeitou do envolvimento dos mesmos mecanismos de efeito Stark hipotetizados em seu artigo de 2007.

Um esforço de simulação de quatro anos, envolvendo milhões de horas de computação de processamento de computador Blue Hive, confirmaram que, diz Franco. “Conseguimos recuperar as principais observações experimentais usando métodos computacionais de última geração, e desenvolver uma imagem muito simples do mecanismo por trás das observações experimentais, " ele diz.

A pesquisa ilustra como a teoria e o experimento se reforçam mutuamente no avanço da ciência, Franco diz. "A teoria levou a um experimento que ninguém realmente entendeu, resultando em melhores teorias que agora estão levando a melhores experimentos ", diz ele." Esta é uma área em que ainda temos muito que entender, " ele adiciona.

Os químicos têm estudado tradicionalmente a relação entre a estrutura de uma molécula e suas funções possíveis quando o material está em ou perto do equilíbrio termodinâmico, ele diz.

"Esta pesquisa o convida a pensar sobre as relações estrutura-função que se aplicam muito, muito longe do equilíbrio. "