Os cientistas estão usando ondas de luz para acelerar supercorrentes e acessar as propriedades únicas do mundo quântico, incluindo emissões de luz proibidas que um dia poderiam ser aplicadas em alta velocidade, computadores quânticos, comunicações e outras tecnologias.

Os cientistas viram coisas inesperadas em supercorrentes - eletricidade que se move através de materiais sem resistência, geralmente em temperaturas superfrias - que quebram a simetria e devem ser proibidas pelas leis convencionais da física, disse Jigang Wang, professor de física e astronomia na Iowa State University, um cientista sênior do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA e o líder do projeto.

O laboratório de Wang foi pioneiro no uso de pulsos de luz em frequências terahertz - trilhões de pulsos por segundo - para acelerar pares de elétrons, conhecidos como pares Cooper, dentro de supercorrentes. Nesse caso, os pesquisadores rastrearam a luz emitida pelos pares de elétrons acelerados. O que eles descobriram foram "emissões de luz de segundo harmônico, "ou luz com o dobro da frequência da luz que entra, usada para acelerar os elétrons.

Este, Wang disse, é análogo à mudança de cor do espectro vermelho para o azul profundo.

"Essas emissões de terahertz segundo harmônico devem ser proibidas em supercondutores, "disse ele." Isso vai contra a sabedoria convencional. "

Wang e seus colaboradores, incluindo Ilias Perakis, professor e catedrático de física da Universidade do Alabama em Birmingham e Chang-beom Eom, o Raymond R. Holton Chair for Engineering e Theodore H. Geballe Professor na University of Wisconsin-Madison - relata sua descoberta em um artigo de pesquisa recém-publicado online pela revista científica Cartas de revisão física .

"A luz proibida nos dá acesso a uma classe exótica de fenômenos quânticos - que é a energia e as partículas em pequena escala de átomos - chamada de precessões de pseudo-spin proibidas de Anderson, "Perakis disse.

(Os fenômenos são nomeados após o falecido Philip W. Anderson, co-vencedor do Prêmio Nobel de Física de 1977, que conduziu estudos teóricos de movimentos de elétrons em materiais desordenados, como vidro que não tem uma estrutura regular.)

Os estudos recentes de Wang foram possibilitados por uma ferramenta chamada espectroscopia quântica terahertz, que pode visualizar e orientar elétrons. Ele usa flashes de laser terahertz como um botão de controle para acelerar supercorrentes e acessar novos e potencialmente úteis estados quânticos da matéria. A National Science Foundation apoiou o desenvolvimento do instrumento, bem como o estudo atual da luz proibida.

Os cientistas dizem que o acesso a este e a outros fenômenos quânticos pode ajudar a impulsionar grandes inovações

"Assim como os atuais transistores gigahertz e roteadores sem fio 5G substituíram os tubos de vácuo megahertz ou válvulas termiônicas há mais de meio século, os cientistas estão procurando um salto em frente nos princípios de design e novos dispositivos, a fim de obter recursos de computação quântica e comunicação, "disse Perakis, com o Alabama em Birmingham. "Encontrando maneiras de controlar, acessar e manipular as características especiais do mundo quântico e conectá-las a problemas do mundo real é um grande impulso científico atualmente. A National Science Foundation incluiu estudos quânticos em suas '10 grandes ideias 'para futuras pesquisas e desenvolvimento essenciais para nossa nação. "

Wang disse, "A determinação e compreensão da quebra de simetria em estados supercondutores é uma nova fronteira tanto na descoberta de matéria quântica fundamental quanto na ciência da informação quântica prática. A segunda geração de harmônicos é uma sonda de simetria fundamental. Isso será útil no desenvolvimento de futuras estratégias de computação quântica e eletrônica com altas velocidades e baixo consumo de energia. "

Antes que eles possam chegar lá, no entanto, os pesquisadores precisam explorar mais o mundo quântico. E esta emissão de luz de segundo harmônico proibida em supercondutores, Wang disse, representa "uma descoberta fundamental da matéria quântica."