Ta en glastråd tusen gånger tunnare än ett människohår. Använd den som en tråd mellan två metaller. Slå den med en laserpuls som varar en miljonedel av en miljarddel av en sekund.

Märkliga saker händer.

Det glasliknande materialet förvandlas så kort till något som liknar en metall. Och lasern genererar en utbrott av elektrisk ström över denna lilla elektriska krets. Det gör så långt snabbare än något traditionellt sätt att producera el och i avsaknad av en applicerad spänning. Ytterligare, Strömens riktning och storlek kan styras helt enkelt genom att variera laserns form - genom att ändra dess fas.

Nu tror en forskare vid University of Rochester - som förutspådde laserpulser att generera ultrasnabba strömmar längs nanoskala -korsningar som detta i teorin - att han kan förklara exakt hur och varför forskare lyckades skapa dessa strömmar i faktiska experiment.

"Detta markerar en ny gräns för kontrollen av elektroner med hjälp av lasrar, "säger Ignacio Franco, biträdande professor i kemi och fysik. Han har samarbetat med Liping Chen, en postdoktor i sin grupp, och med Yu Zhang och GuanHua Chen vid University of Hong Kong på en beräkningsmodell för att återskapa och klargöra vad som hände i experimentet. Detta arbete som finansieras av Francos NSF CAREER -pris publiceras nu i Naturkommunikation .

"Du kommer inte att bygga en bil av det här, men du kommer att kunna generera strömmar snabbare än någonsin tidigare, "Säger Franco." Du kommer att kunna utveckla elektroniska kretsar som är några miljarder meter långa [nanoskala] som fungerar i en miljonedel av en miljarddel av en andra [femtosekund] tidsskala. Men, mer viktigt, detta är ett underbart exempel på hur olika materia kan bete sig när den drivs långt från jämvikt. Lasrarna skakar nanojunctionen så hårt att den helt ändrar dess egenskaper. Detta innebär att vi kan använda ljus för att justera materiens beteende. "

Detta är exakt vad det amerikanska energidepartementet hade i åtanke när det listade kontrollen av materia på elektronnivå - och förståelse av materia "väldigt långt borta" från jämvikt - bland dess viktigaste utmaningar för nationens forskare.

Från teori till experiment till förklaring

DOE utfärdade dessa utmaningar 2007. Samma år, Franco, sedan doktorand vid University of Toronto, var huvudförfattare till ett papper i Fysiska granskningsbrev teoretiserar att extremt kraftfull, ultrasnabba elektriska strömmar kan genereras i molekylära ledningar som utsätts för femtosekundlaserpulser.

De molekylära trådarna, tillverkad av en linjär kolkedja, skulle vara ansluten till metallkontakter som bildar en nanoskalaövergång. Strömmen skulle genereras eftersom ett fenomen som kallas Stark -effekten, där materiens energinivåer förskjuts på grund av närvaron av laserns yttre elektriska fält, används för att kontrollera nivåjustering mellan molekylen och metallkontakterna.

Men detta teoretiska förslag förblev just det. Utmaningarna med att faktiskt bygga en korsning så liten, och sedan kunna dokumentera vad som hände innan trådarna förstördes av lasrarna, var för skrämmande för att validera teorin med faktiska experiment.

Det är fram till 2013, när forskare under ledning av Ferenc Krausz vid Max Planck Institute of Quantum Optics kunde generera ultrasnabba strömmar genom att exponera en annan nanojunction - glas som förbinder två guldelektroder - för laserpulser.

Den exakta dynamiken var fortfarande oklar, säger Franco. Olika teorier framfördes av andra forskare. Men även om materialen var olika, Franco misstänker att samma Stark -effektmekanismer är inblandade i hans 2007 -uppsats.

En fyraårig simuleringsinsats, som involverar miljontals datortimmar med Blue Hive -datorbearbetning, har bekräftat att säger Franco. "Vi kunde återställa de viktigaste experimentella observationerna med hjälp av toppmoderna beräkningsmetoder, och utveckla en mycket enkel bild av mekanismen bakom de experimentella observationerna, " han säger.

Forskningen illustrerar hur teori och experiment ömsesidigt förstärker för att utveckla vetenskapen, säger Franco. "Teori ledde till ett experiment som ingen riktigt förstod, resulterar i bättre teorier som nu leder till bättre experiment "säger han." Detta är ett område där vi fortfarande har många saker att förstå, " han lägger till.

Kemister har traditionellt studerat sambandet mellan en molekyls struktur och dess möjliga funktioner när materialet är vid eller nära termodynamisk jämvikt, han säger.

"Denna forskning inbjuder dig att tänka på struktur-funktion relationer som gäller mycket, väldigt långt ifrån jämvikt. "