Forskare använder ljusvågor för att accelerera superströmmar och få tillgång till kvantvärldens unika egenskaper, inklusive förbjudna ljusemissioner som en dag skulle kunna tillämpas på hög hastighet, kvantdatorer, kommunikation och annan teknik.

Forskarna har sett oväntade saker i superströmmar - elektricitet som rör sig genom material utan motstånd, vanligtvis vid superkalla temperaturer - som bryter symmetri och antas vara förbjudna enligt fysikens konventionella lagar, sa Jigang Wang, en professor i fysik och astronomi vid Iowa State University, en senior vetenskapsman vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory och ledare för projektet.

Wangs labb har banat väg för användningen av ljuspulser vid terahertz-frekvenser - biljoner pulser per sekund - för att accelerera elektronpar, kända som Cooper-par, inom superströmmar. I detta fall, forskarna spårade ljus som sänds ut av de accelererade elektronparen. Vad de fann var "andra harmoniska ljusemissioner, " eller ljus med dubbla frekvensen av det inkommande ljuset som används för att accelerera elektroner.

Den där, Wang sa, är analog med färgskiftning från det röda spektrumet till det djupblå.

"Dessa andra harmoniska terahertz-emissioner är tänkta att vara förbjudna i supraledare, " sade han. "Detta är emot den konventionella visdomen."

Wang och hans medarbetare – inklusive Ilias Perakis, professor och professor i fysik vid University of Alabama i Birmingham och Chang-beom Eom, Raymond R. Holton Chair for Engineering och Theodore H. Geballe professor vid University of Wisconsin-Madison – rapporterar sin upptäckt i en forskningsartikel som just publicerats online av den vetenskapliga tidskriften Fysiska granskningsbrev .

"Det förbjudna ljuset ger oss tillgång till en exotisk klass av kvantfenomen - det är energin och partiklarna i den lilla skalan av atomer - som kallas förbjudna Anderson pseudo-spin-precessioner, " sa Perakis.

(Fenomenen är uppkallade efter avlidne Philip W. Anderson, medvinnare av 1977 års Nobelpris i fysik som genomförde teoretiska studier av elektronrörelser i oordnade material som glas som saknar en regelbunden struktur.)

Wangs senaste studier har möjliggjorts av ett verktyg som kallas quantum terahertz spektroskopi som kan visualisera och styra elektroner. Den använder terahertz-laserblixtar som kontrollratt för att accelerera superströmmar och komma åt nya och potentiellt användbara kvanttillstånd av materia. National Science Foundation har stött utvecklingen av instrumentet samt den aktuella studien av förbjudet ljus.

Forskarna säger att tillgång till detta och andra kvantfenomen kan hjälpa till att driva stora innovationer

"Precis som dagens gigahertz-transistorer och trådlösa 5G-routrar ersatte megahertz-vakuumrör eller termionventiler för över ett halvt sekel sedan, forskare letar efter ett steg framåt i designprinciper och nya enheter för att uppnå kvantberäknings- och kommunikationskapacitet, sa Perakis, med Alabama i Birmingham. "Att hitta sätt att kontrollera, tillgång till och manipulera de speciella egenskaperna hos kvantvärlden och koppla dem till verkliga problem är en stor vetenskaplig push nuförtiden. National Science Foundation har inkluderat kvantstudier i sina "10 Big Ideas" för framtida forskning och utveckling som är avgörande för vår nation."

Wang sa, "Bestämning och förståelse av symmetribrott i supraledande tillstånd är en ny gräns inom både grundläggande kvantmateriaupptäckt och praktisk kvantinformationsvetenskap. Andra övertonsgenerationen är en grundläggande symmetrisond. Detta kommer att vara användbart i utvecklingen av framtida kvantberäkningsstrategier och elektronik. med höga hastigheter och låg energiförbrukning."

Innan de kan komma dit, fastän, forskare behöver göra mer utforskande av kvantvärlden. Och denna förbjudna andra harmoniska ljusemission i supraledare, Wang sa, representerar "en grundläggande upptäckt av kvantmateria."