Les scientifiques utilisent des ondes lumineuses pour accélérer les supercourants et accéder aux propriétés uniques du monde quantique, y compris les émissions lumineuses interdites qui pourraient un jour s'appliquer à la grande vitesse, ordinateurs quantiques, communications et autres technologies.

Les scientifiques ont vu des choses inattendues dans les supercourants :de l'électricité qui se déplace à travers les matériaux sans résistance, généralement à des températures extrêmement froides - qui brisent la symétrie et sont censées être interdites par les lois conventionnelles de la physique, dit Jigang Wang, professeur de physique et d'astronomie à l'Iowa State University, un scientifique principal au laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis et le chef du projet.

Le laboratoire de Wang a été le premier à utiliser des impulsions lumineuses à des fréquences térahertz - des milliards d'impulsions par seconde - pour accélérer les paires d'électrons, connu sous le nom de paires de Cooper, dans les supercourants. Dans ce cas, les chercheurs ont suivi la lumière émise par les paires d'électrons accélérés. Ce qu'ils ont trouvé étaient "des émissions de lumière de deuxième harmonique, " ou lumière à deux fois la fréquence de la lumière entrante utilisée pour accélérer les électrons.

Cette, Wang a dit, est analogue au changement de couleur du spectre rouge au bleu profond.

"Ces émissions térahertz de seconde harmonique sont censées être interdites dans les supraconducteurs, " at-il dit. " C'est contre la sagesse conventionnelle. "

Wang et ses collaborateurs, dont Ilias Perakis, professeur et chaire de physique à l'Université d'Alabama à Birmingham et Chang-beom Eom, la chaire Raymond R. Holton d'ingénierie et le professeur Theodore H. Geballe à l'Université du Wisconsin-Madison - rapportent leur découverte dans un article de recherche qui vient d'être publié en ligne par la revue scientifique Lettres d'examen physique .

"La lumière interdite nous donne accès à une classe exotique de phénomènes quantiques - c'est-à-dire l'énergie et les particules à petite échelle des atomes - appelées pseudo-précessions de spin d'Anderson interdites, " a déclaré Perakis.

(Les phénomènes portent le nom de feu Philip W. Anderson, co-lauréat du prix Nobel de physique 1977 qui a mené des études théoriques sur les mouvements d'électrons dans des matériaux désordonnés tels que le verre qui n'ont pas de structure régulière.)

Les études récentes de Wang ont été rendues possibles grâce à un outil appelé spectroscopie térahertz quantique qui permet de visualiser et de diriger les électrons. Il utilise des flashs laser térahertz comme bouton de commande pour accélérer les supercourants et accéder à de nouveaux états quantiques de la matière potentiellement utiles. La National Science Foundation a soutenu le développement de l'instrument ainsi que l'étude actuelle de la lumière interdite.

Les scientifiques disent que l'accès à ce phénomène et à d'autres phénomènes quantiques pourrait aider à conduire des innovations majeures

"Tout comme les transistors gigahertz et les routeurs sans fil 5G d'aujourd'hui ont remplacé les tubes à vide mégahertz ou les valves thermoioniques il y a plus d'un demi-siècle, les scientifiques recherchent un bond en avant dans les principes de conception et de nouveaux dispositifs afin d'atteindre des capacités d'informatique quantique et de communication, " dit Perakis, avec l'Alabama à Birmingham. "Trouver des moyens de contrôler, accéder et manipuler les caractéristiques spéciales du monde quantique et les connecter aux problèmes du monde réel est une avancée scientifique majeure de nos jours. La National Science Foundation a inclus des études quantiques dans ses « 10 grandes idées » pour la recherche et le développement futurs essentiels à notre nation. »

Wang a dit, "La détermination et la compréhension de la rupture de symétrie dans les états supraconducteurs est une nouvelle frontière à la fois dans la découverte de la matière quantique fondamentale et dans la science de l'information quantique pratique. La génération de la deuxième harmonique est une sonde de symétrie fondamentale. Cela sera utile dans le développement de futures stratégies d'informatique quantique et d'électronique avec des vitesses élevées et une faible consommation d'énergie."

Avant de pouvoir y arriver, bien que, les chercheurs doivent explorer davantage le monde quantique. Et cette émission de lumière de seconde harmonique interdite dans les supraconducteurs, Wang a dit, représente "une découverte fondamentale de la matière quantique".