Prenez un fil de verre mille fois plus fin qu'un cheveu humain. Utilisez-le comme un fil entre deux métaux. Frappez-le avec une impulsion laser qui dure un millionième de milliardième de seconde.

Des choses remarquables se produisent.

Le matériau semblable au verre se transforme très brièvement en quelque chose qui ressemble à un métal. Et le laser génère une rafale de courant électrique à travers ce petit circuit électrique. Il le fait beaucoup plus rapidement que n'importe quel moyen traditionnel de production d'électricité et en l'absence de tension appliquée. Plus loin, la direction et l'amplitude du courant peuvent être contrôlées simplement en faisant varier la forme du laser, en changeant sa phase.

Maintenant, un chercheur de l'Université de Rochester - qui a prédit que les impulsions laser pourraient générer des courants ultrarapides le long de jonctions nanométriques comme celle-ci en théorie - pense pouvoir expliquer exactement comment et pourquoi les scientifiques ont réussi à créer ces courants dans des expériences réelles.

"Cela marque une nouvelle frontière dans le contrôle des électrons à l'aide de lasers, " dit Ignacio Franco, professeur adjoint de chimie et de physique. Il a collaboré avec Liping Chen, un associé postdoctoral dans son groupe, et avec Yu Zhang et GuanHua Chen à l'Université de Hong Kong sur un modèle informatique pour recréer et clarifier ce qui s'est passé dans l'expérience. Ce travail financé par le prix NSF CAREER de Franco est maintenant publié dans Communication Nature .

"Tu ne construiras pas une voiture avec ça, mais vous pourrez générer des courants plus rapidement que jamais, ", dit Franco. "Vous pourrez développer des circuits électroniques de quelques milliardièmes de mètre de long [à l'échelle nanométrique] qui fonctionnent à l'échelle d'un millionième de milliardième de seconde [femtoseconde]. Mais, plus important, c'est un merveilleux exemple de la façon dont la matière peut se comporter différemment lorsqu'elle est éloignée de l'équilibre. Les lasers secouent la nanojonction si fort qu'elle change complètement ses propriétés. Cela implique que nous pouvons utiliser la lumière pour régler le comportement de la matière."

C'est exactement ce que le département américain de l'Énergie avait en tête lorsqu'il a classé le contrôle de la matière au niveau des électrons - et comprendre la matière "très loin" de l'équilibre - parmi ses principaux défis pour les scientifiques du pays.

De la théorie à l'expérimentation à l'explication

Le DOE a lancé ces défis en 2007. La même année, Franco, puis étudiant au doctorat à l'Université de Toronto, a été l'auteur principal d'un article en Lettres d'examen physique théorisant qu'extrêmement puissant, des courants électriques ultrarapides pourraient être générés dans des fils moléculaires exposés à des impulsions laser femtosecondes.

Les fils moléculaires, constitué d'une chaîne carbonée linéaire, seraient connectés à des contacts métalliques formant une jonction nanométrique. Le courant serait généré parce qu'un phénomène appelé effet Stark, dans lequel les niveaux d'énergie de la matière sont décalés du fait de la présence du champ électrique externe du laser, est utilisé pour contrôler l'alignement des niveaux entre la molécule et les contacts métalliques.

Mais cette proposition théorique n'est restée que cela. Les défis de la construction d'un carrefour aussi petit, puis être capable de documenter ce qui s'est passé avant que les fils ne soient détruits par les lasers, étaient trop intimidants pour valider la théorie avec des expériences réelles.

C'est jusqu'en 2013, lorsque des chercheurs dirigés par Ferenc Krausz de l'Institut Max Planck d'optique quantique ont pu générer des courants ultrarapides en exposant une nanojonction différente (un verre reliant deux électrodes en or) à des impulsions laser.

La dynamique exacte impliquée est restée incertaine, dit Franco. Diverses théories ont été avancées par d'autres chercheurs. Mais même si les matériaux étaient différents, Franco soupçonnait l'implication des mêmes mécanismes d'effet Stark hypothétiques dans son article de 2007.

Un effort de simulation de quatre ans, impliquant des millions d'heures de calcul de traitement informatique Blue Hive, ont confirmé que, dit Franco. "Nous avons pu récupérer les principales observations expérimentales en utilisant des méthodes de calcul de pointe, et développer une image très simple du mécanisme derrière les observations expérimentales, " il dit.

La recherche illustre comment la théorie et l'expérience se renforcent mutuellement dans l'avancement de la science, dit Franco. "La théorie a conduit à une expérience que personne n'a vraiment comprise, résultant en de meilleures théories qui mènent maintenant à de meilleures expériences ", dit-il. " C'est un domaine dans lequel nous avons encore beaucoup de choses à comprendre, " il ajoute.

Les chimistes ont traditionnellement étudié la relation entre la structure d'une molécule et ses fonctions possibles lorsque le matériau est à ou près de l'équilibre thermodynamique, il dit.

"Cette recherche vous invite à réfléchir aux relations structure-fonction qui s'appliquent très, très loin de l'équilibre."