Pesquisadores da Rice University descobriram que certos semicondutores atomicamente finos, chamados dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), podem alterar fisicamente sua rede atômica quando expostos à luz. Esta resposta recentemente observada fornece uma maneira controlável de ajustar o comportamento e as propriedades desses materiais ultrafinos.
Esse fenômeno ocorre em um subtipo de DTM denominado material Janus, em homenagem ao deus romano associado à transformação. A sua sensibilidade à luz poderá suportar tecnologias futuras que dependam de sinais luminosos em vez de correntes eléctricas, incluindo chips de computador mais rápidos e mais frios, sensores altamente responsivos e sistemas optoelectrónicos flexíveis.
“Na óptica não linear, a luz pode ser remodelada para criar novas cores, pulsos mais rápidos ou interruptores ópticos que ligam e desligam os sinais”, disse Kunyan Zhang, ex-aluno do Rice PhD e primeiro autor do estudo. “Os materiais bidimensionais têm apenas alguns átomos de espessura, tornando possível construir essas ferramentas ópticas em uma escala muito pequena.”
O que torna os materiais Janus diferentes
Os TMDs são empilhados a partir de duas camadas de uma camada de metal de transição, como molibdênio, e um elemento calcogênio, como enxofre ou selênio. Sua combinação de condutividade elétrica, forte absorção de luz e flexibilidade mecânica os torna os principais candidatos para dispositivos eletrônicos e ópticos de próxima geração.
Dentre esse grupo, os materiais Janus se destacam porque suas camadas atômicas superior e inferior são compostas por diferentes elementos químicos, conferindo-lhes uma estrutura assimétrica. Este desequilíbrio cria polaridade elétrica incorporada e aumenta sua sensibilidade à luz e às forças externas.
“Nosso trabalho explora como a estrutura do material Janus afeta seu comportamento óptico e como a própria luz cria forças no material”, disse Zhang.
Detectando movimento atômico usando lasers
Para estudar esse comportamento, a equipe usou feixes de laser de várias cores em um material Janus TMD de camada dupla que consiste em seleneto de molibdênio empilhado em dissulfeto de molibdênio. Eles estudaram como ele altera a luz por meio da geração de segundo harmônico (SHG), processo no qual o material emite luz com o dobro da frequência do feixe incidente. Quando o laser incidente corresponde à ressonância natural do material, o padrão usual de duplicação de frequência fica distorcido, indicando que os átomos estão se movendo.
“Descobrimos que a luz brilhante no seleneto de sulfeto de molibdênio Janus e no dissulfeto de molibdênio cria pequenas forças direcionais dentro do material, que se manifestam como mudanças no padrão do segundo harmônico”, disse Zhang. “Normalmente, o sinal do segundo harmônico forma uma forma hexagonal de ‘flor’, refletindo a simetria do cristal. Mas quando a luz atinge os átomos, essa simetria é quebrada – as pétalas do padrão encolhem de forma desigual.”
Fotostrição e acoplamento de camadas
Os pesquisadores atribuíram a distorção de duplicação de frequência à fotostrição, um processo no qual o campo eletromagnético da luz exerce forças mecânicas sobre os átomos. Nos materiais Janus, o forte acoplamento entre as camadas amplifica esse efeito, permitindo que mesmo forças mínimas produzam deformações mensuráveis.
“Os materiais Janus são ideais porque a sua composição não homogênea melhora o acoplamento entre as camadas, o que os torna mais sensíveis às pequenas forças da luz – forças que são tão pequenas que são difíceis de medir diretamente, mas podemos detectá-las através de mudanças nos padrões de sinal com frequência duplicada”, disse Zhang.
O potencial das futuras tecnologias ópticas
Esta alta sensibilidade mostra que os materiais Janus podem se tornar componentes valiosos em uma variedade de tecnologias ópticas. Dispositivos que usam esse mecanismo para direcionar ou controlar a luz podem levar a chips fotônicos mais rápidos e mais eficientes em termos energéticos, porque os circuitos baseados em luz geram menos calor do que os eletrônicos tradicionais. Propriedades semelhantes poderiam ser usadas para construir sensores ajustados que possam detectar vibrações ou mudanças de pressão extremamente pequenas, ou para desenvolver fontes de luz ajustáveis para monitores avançados e sistemas de imagem.
“Este controle ativo pode ajudar a projetar chips fotônicos de próxima geração, detectores ultrassensíveis ou fontes de luz quântica, tecnologias que usam luz para transportar e processar informações em vez de depender de eletricidade”, disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia na Rice e autor correspondente do estudo. Huang também é afiliado ao Smalley-Cole Institute, ao Rice Advanced Materials Institute e ao Kennedy Institute.
Pequenos desequilíbrios estruturais trazem grandes impactos
Ao mostrar como a assimetria interna do Janus TMD cria novas maneiras de influenciar o fluxo óptico, o estudo mostra que pequenas diferenças estruturais podem desbloquear oportunidades tecnológicas significativas.
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1943895), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-22-1-0408), pela Fundação Welch (C-2144), pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0020042, DE-AC02-05CH11231), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA. (FA2386-24-1-4049) e o Ministério da Educação de Taiwan. O conteúdo deste artigo é de exclusiva responsabilidade dos autores e não representa necessariamente a opinião oficial das organizações e instituições financiadoras.
