Tome un hilo de vidrio mil veces más delgado que un cabello humano. Úselo como un cable entre dos metales. Golpéelo con un pulso láser que dura una millonésima de mil millonésima de segundo.

Suceden cosas extraordinarias.

El material similar al vidrio se transforma muy brevemente en algo parecido a un metal. Y el láser genera una ráfaga de corriente eléctrica a través de este pequeño circuito eléctrico. Lo hace mucho más rápido que cualquier forma tradicional de producir electricidad y en ausencia de un voltaje aplicado. Más lejos, la dirección y la magnitud de la corriente se pueden controlar simplemente variando la forma del láser, cambiando su fase.

Ahora, un investigador de la Universidad de Rochester, que predijo que los pulsos de láser podrían generar corrientes ultrarrápidas a lo largo de uniones a nanoescala como esta en teoría, cree que puede explicar exactamente cómo y por qué los científicos lograron crear estas corrientes en experimentos reales.

"Esto marca una nueva frontera en el control de electrones usando láseres, "dice Ignacio Franco, profesor asistente de química y física. Ha colaborado con Liping Chen, un asociado postdoctoral en su grupo, y con Yu Zhang y GuanHua Chen en la Universidad de Hong Kong en un modelo computacional para recrear y aclarar lo que sucedió en el experimento. Este trabajo financiado por el premio NSF CAREER de Franco se publica ahora en Comunicaciones de la naturaleza .

"No construirás un coche con esto, pero podrás generar corrientes más rápido que nunca, ", Dice Franco." Podrás desarrollar circuitos electrónicos de unas mil millonésimas de metro de largo [nanoescala] que operan en una millonésima de mil millonésima de segundo [femtosegundo] en una escala de tiempo. Pero, más importante, este es un maravilloso ejemplo de cuán diferente puede comportarse la materia cuando se la lleva lejos del equilibrio. Los láseres sacuden la nanounión con tanta fuerza que cambia por completo sus propiedades. Esto implica que podemos usar la luz para ajustar el comportamiento de la materia ".

Esto es exactamente lo que el Departamento de Energía de Estados Unidos tenía en mente cuando enumeró el control de la materia al nivel de los electrones, y la comprensión de la materia "muy lejos" del equilibrio, entre sus desafíos clave para los científicos de la nación.

De la teoría al experimento y a la explicación

El DOE emitió esos desafíos en 2007. Ese mismo año, Franco, luego estudiante de doctorado en la Universidad de Toronto, fue autor principal de un artículo en Cartas de revisión física teorizando que extremadamente poderoso, Se podrían generar corrientes eléctricas ultrarrápidas en cables moleculares expuestos a pulsos de láser de femtosegundos.

Los cables moleculares, hecho de una cadena de carbono lineal, estaría conectado a contactos metálicos formando una unión a nanoescala. La corriente se generaría debido a un fenómeno llamado efecto Stark, en el que los niveles de energía de la materia se desplazan debido a la presencia del campo eléctrico externo del láser, se utiliza para controlar la alineación de nivel entre la molécula y los contactos metálicos.

Pero esta propuesta teórica siguió siendo solo eso. Los desafíos de construir un cruce tan pequeño, y luego poder documentar lo que sucedió antes de que los láseres destruyeran los cables, eran demasiado abrumadores para validar la teoría con experimentos reales.

Eso es hasta 2013, cuando los investigadores dirigidos por Ferenc Krausz en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica pudieron generar corrientes ultrarrápidas al exponer una nanounión diferente (vidrio que conecta dos electrodos de oro) a pulsos de láser.

La dinámica exacta involucrada sigue sin estar clara, Franco dice. Otros investigadores propusieron varias teorías. Pero a pesar de que los materiales eran diferentes, Franco sospechaba la participación de los mismos mecanismos del efecto Stark hipotetizados en su artículo de 2007.

Un esfuerzo de simulación de cuatro años, que implica millones de horas informáticas de procesamiento informático Blue Hive, han confirmado que, dice Franco. "Pudimos recuperar las principales observaciones experimentales utilizando métodos computacionales de última generación, y desarrollar una imagen muy simple del mecanismo detrás de las observaciones experimentales, " él dice.

La investigación ilustra cómo la teoría y el experimento se refuerzan mutuamente en el avance de la ciencia, Franco dice. "La teoría llevó a un experimento que nadie entendió realmente, resultando en mejores teorías que ahora están conduciendo a mejores experimentos ", dice." Esta es un área en la que todavía tenemos muchas cosas que comprender, " él añade.

Los químicos han estudiado tradicionalmente la relación de la estructura de una molécula con sus posibles funciones cuando el material está en o cerca del equilibrio termodinámico. él dice.

"Esta investigación lo invita a pensar en las relaciones estructura-función que se aplican muy, muy lejos del equilibrio ".