Fig. 1. Spektra av SHG och THG som avges genom bestrålning av 6 fs laserpulser i en organisk superledare, κ-(BEDT-TTF) 2 Cu[N(CN) 2 ] Br. Observation av SHG i de centrosymmetriska materialen indikerar en icke-linjär ström som inte kan beskrivas av Ohms lag. Höger panel visar provets kristallstruktur. Kredit:NINS/IMS
En polariserad petahertzström drivs av en ultrakort laser i en organisk supraledare. Detta står i motsats till sunt förnuftsuppfattning som motiveras av Ohms lag, dvs. en nettoström kan inte induceras av ett oscillerande elektriskt ljusfält. Strömmen ökar nära den överledande övergångstemperaturen. Den ljusdrivna petahertzströmmen öppnar en väg till höghastighetsdrift av datorer som är en miljon gånger snabbare än konventionella.
Inom modern informationsteknik (IT), data bearbetas och bärs av elektronernas rörelser i en CPU. I de elektriska kretsarna, elektronerna rör sig i önskad riktning av ett pålagt elektriskt fält. En frekvens för på- och avstängning av elektronrörelsen, som till exempel kallas en "CPU-klocka", är en ordning på gigahertz (10 9 Hz).
Å andra sidan, ett oscillerande ljusfält med en frekvens på petahertz (10 15 Hz) har potential att realisera petahertz-drift av på/av-omkopplingen. Om man kan flytta elektroner med ljusfrekvensen, hastigheten på databehandlingen kan vara en miljon gånger snabbare än i konventionella datorer. En elektromagnetisk oscillation av ljus har, dock, aldrig driven polariserad ström (dvs. tidsgenomsnittet för strömmen under ljuspulsen är noll), eftersom det oscillerande ljusfältet är temporalt/spatialt symmetriskt. Forskare vid Tohoku University, Nagoya University, Institutet för molekylär vetenskap, Okayama Science University och Chuo University har lyckats flytta elektroner i en organisk superledare i en specifik riktning genom bestrålning av ultrakorte laserpulser.
Fig. 2. (a) CEP (bärar-kuvertfas) beroende av SHG (b) Temperaturberoende av SHG. (Superledande övergångstemperatur för provet är 11,5 K.) Kredit:NINS/IMS
Enligt Ohms lag, en inducerad ström (och elektronernas hastighet) är proportionell mot det pålagda elektriska fältet. Observera att Ohms lag gäller, om elektronerna är utspridda många gånger i fasta ämnen. Faktiskt, materialens resistivitet bestäms av elektron-elektron- och/eller elektron-fonon-spridningsprocesserna. Om det elektriska fältet kan appliceras på tidsskalan kortare än spridningstiden, dock, elektronerna i fasta ämnen har inte tillräckligt med tid för att medelvärdesbildas. Istället, elektronerna ska accelereras och generera en polariserad nätström. Därför, forskarna har försökt realisera en sådan "spridningsfri ström" med ultrakorta laserpulser som är tillräckligt kortare än elektronspridningstiden (cirka 40 femtosekunder i organiska supraledare).
Ett hinder för att realisera ett sådant experiment är att elektrisk detektering av en sådan korttidsström är omöjlig. Därför, forskarna använder den optiska detektionen. Second harmonic generation (SHG) har varit välkänd som metoden för att detektera elektronisk symmetribrott, såsom ett makroskopiskt dipolmoment i ferroelektrik. SHG kan också induceras av den polariserade strömmen som är en annan typ av elektronisk symmetribrytning.
Forskarna lyser sin ultrakorta laser med en pulsbredd på cirka 6 fs (6 × 10 -15 s) på en organisk centrosymmetrisk supraledare, κ-(BEDT-TTF) 2 Cu[N(CN) 2 ] Br, och detektera en andra övertonsgenerering (SHG). Detta står i motsats till sunt förnuft eftersom SHG genereras endast i de material där den rumsliga symmetrin är bruten. Deras upptäckt av SHG i det centrosymmetriska materialet indikerar att en polariserad nätström genereras under ljusstrålningen.
Fig. 3. Schematisk illustration av SHG inducerad av en petahertz icke-linjär ström i en organisk supraledare κ-BEDT-TTF-föreningar Kredit:NINS/IMS
För att bekräfta en sådan icke-linjär polariserad ström, forskarna undersöker bärarhöljesfas (CEP; relativ fas mellan oscillationen av ljus och dess hölje) beroende av SHG, eftersom CEP-känslig natur är ett karakteristiskt beteende för den ströminducerade SHG. En periodisk förändring av SHG-intensiteten som en funktion av CEP är ett bevis på att den observerade SHG faktiskt kan hänföras till den spridningsfria strömmen.
Forskarna visar vidare att förhållandet mellan den spridningsfria strömmen och supraledningsförmågan. Det aktuella resultatet (fig. 2b) visar att SHG detekteras vid temperaturområdet under 50 K (> supraledande övergångstemperatur ( T SC =11,5 K)). Resultatet visar också att intensiteten av SHG snabbt växer mot övergångstemperaturen under 25 K (~2 × T SC ), vilket indikerar att den spridningsfria strömmen är känslig för en "supraledande fluktuation". I många supraledare, den supraledande fluktuationen, eller mikroskopiska frön av supraledning, har hittats vid temperaturer högre än den supraledande övergången, och ökningen av intensiteten hos den andra övertonen verkar vara relaterad till de supraledande fluktuationerna.
Forskarna säger, "Med ytterligare förståelse för den spridningsfria icke-linjära petahertzströmmen, vi kanske kan göra datorer med en operationshastighet på petahertz som är miljoner gånger snabbare än de nuvarande gigahertz. Detta fenomen kan också användas som ett verktyg för att belysa den mikroskopiska mekanismen för supraledande tillstånd, eftersom det är känsligt för supraledande fluktuationer."
