Under de senaste decennierna har datorer har blivit snabbare och hårddiskar och lagringschips har nått enorm kapacitet. Men denna trend kan inte fortsätta för alltid. Fysiska gränser hindrar kiselbaserad datorteknik från att uppnå ytterligare hastighetsökningar. Forskare är optimistiska att nästa era av tekniska framsteg kommer att börja med utvecklingen av nya informationsbehandlingsmaterial och teknik som kombinerar elektriska kretsar med optiska. Med korta laserpulser, en forskargrupp ledd av Misha Ivanov från Max Born Institute i Berlin, tillsammans med forskare från Russian Quantum Center i Moskva, har belyst de extremt snabba processer som äger rum inom dessa nya material. Deras resultat visas i Nature Photonics .

Av särskilt intresse för modern materialforskning inom solid state -fysik är starkt korrelerade system, som uppvisar starka interaktioner mellan elektroner. Magneter är ett bra exempel:Elektronerna i magneterna anpassar sig i en föredragen rotationsriktning inuti materialet, producerar magnetfältet. Men det finns andra, helt andra strukturordnar som förtjänar uppmärksamhet. Till exempel, i så kallade Mott-isolatorer, elektronerna borde flöda fritt och materialen skulle därför kunna leda elektricitet såväl som metaller. Men den ömsesidiga interaktionen mellan elektroner i dessa starkt korrelerade material hindrar deras flöde, och så beter sig materialen som isolatorer istället.

Genom att störa denna order med en stark laserpuls, de fysiska egenskaperna kan få dramatiskt att förändras. Detta kan liknas vid en fasövergång från fast till flytande - när is smälter, till exempel, stela iskristaller omvandlas till fritt flödande vattenmolekyler. Mycket på samma sätt, elektronerna i ett starkt korrelerat material blir fria att flöda när en extern laserpuls tvingar fram en fasövergång i sin strukturella ordning. Sådana fasövergångar bör göra det möjligt för forskare att utveckla helt nya kopplingselement för nästa generations elektronik som är snabbare och potentiellt mer energieffektiva än dagens transistorer. I teorin, datorer kan göras runt 1000 gånger snabbare genom att "turboladdas" sina elektriska komponenter med ljuspulser.

Problemet med att studera dessa fasövergångar är att de är extremt snabba, och det är därför mycket svårt att fånga dem i dådet. Forskare har fått nöja sig med att karakterisera ett materials tillstånd före och efter en fasövergång av detta slag. Dock, forskarna Rui E.F. Silva, Olga Smirnova, och Misha Ivanov från Berlin Max Born Institute har nu tagit fram en metod som, i verklig mening, belysa processen. Deras teori går ut på att skjuta extremt kort, skräddarsydda laserpulser i ett material - pulser är nu bara möjliga i lämplig kvalitet via den senaste utvecklingen inom lasrar. De observerade materialets reaktion på dessa pulser för att se hur elektronerna i materialet exciteras till rörelse, och, som en klocka, avger resonanta vibrationer vid specifika frekvenser som övertoner av det infallande ljuset.

"Genom att analysera detta höga harmoniska spektrum, vi kan observera förändringen i strukturordningen i dessa starkt korrelerade material live för första gången, "säger första författaren Rui Silva från Max Born Institute. Laserkällor som exakt kan utlösa dessa övergångar är den senaste utvecklingen. Laserpulserna måste vara tillräckligt starka och extremt korta - i storleksordningen femtosekunder i längd (miljondelar av en miljarddel av en andra).

I vissa fall, det tar bara en enda svängning av ljus för att störa den elektroniska beställningen av ett material och förvandla en isolator till en metallliknande ledare. Forskarna vid Berlin Max Born Institute är bland världens ledande experter inom ultrakorte laserpulser. "Om vi ​​vill använda ljus för att kontrollera egenskaper hos elektroner i ett material, då måste vi veta exakt hur elektronerna reagerar på ljuspulser, "Förklarar Ivanov. Med den senaste generationens laserkällor, som möjliggör full kontroll över det elektromagnetiska fältet ända ner till en enda svängning, den nyligen publicerade metoden kommer att ge djup inblick i framtidens material.