Quando dispostos da maneira correta, os materiais bidimensionais podem exibir efeitos quânticos incomuns e valiosos, como supercondutividade e tipos exóticos de magnetismo. Compreender por que esses efeitos ocorrem e como controlá-los continua sendo um dos maiores desafios enfrentados por físicos e engenheiros. Um novo estudo publicado em física natural Foi descoberta uma propriedade nunca antes vista que poderia explicar como essas misteriosas fases quânticas se formam e evoluem.
Usando um novo método de espectroscopia terahertz (THz), os pesquisadores descobriram que camadas finas de materiais bidimensionais comumente usados em laboratórios de todo o mundo podem criar naturalmente as chamadas cavidades. Esses pequenos espaços confinam a luz e os elétrons em áreas menores, alterando significativamente suas interações e comportamento.
James McIver, professor assistente de física na Universidade de Columbia e autor principal do artigo, disse: “Descobrimos uma camada de controle oculta em materiais quânticos e abrimos uma maneira de moldar a interação entre luz e matéria, o que pode nos ajudar a compreender fases exóticas da matéria e, em última análise, usá-las para futuras tecnologias quânticas”.
As origens deste trabalho remontam a Hamburgo, onde McIver liderou um grupo de pesquisa no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD). O instituto faz parte do Centro Max Planck para Fenômenos Quânticos de Não-Equilíbrio em Nova York, uma colaboração entre o MPSD, a Universidade de Columbia, o Instituto Flatiron e a Universidade Cornell. Os pesquisadores do centro estudam como os sistemas físicos estáveis reagem quando são removidos do equilíbrio.
A equipe de McIver explorou essas questões através da luz. “Os materiais bidimensionais têm propriedades macroscópicas fascinantes e muitas vezes se comportam como caixas pretas”, disse Gunda Kipp, estudante de doutorado no MPSD e primeiro autor do artigo. “Ao lançar luz sobre eles, podemos literalmente revelar o comportamento oculto de seus elétrons, revelando detalhes que de outra forma seriam invisíveis”. Um obstáculo, no entanto, é que os comprimentos de onda da luz necessários para detectar materiais 2-D são muito maiores do que o próprio material, que é mais fino que um fio de cabelo humano.
Para superar essa incompatibilidade de escala, os pesquisadores desenvolveram um espectroscópio do tamanho de um chip que pode comprimir a luz terahertz (a faixa onde ocorrem muitos efeitos quânticos) de cerca de 1 milímetro para apenas 3 mícrons. Este design compacto permite observar diretamente como os elétrons se movem dentro do material bidimensional. Eles testaram primeiro seu método usando grafeno, uma forma bem conhecida de carbono, para medir sua condutividade óptica.
O que encontraram foi inesperado: ondas estacionárias distintas.
“A luz pode acoplar-se aos elétrons para formar quasipartículas híbridas de matéria leve. Essas quasipartículas se movem na forma de ondas e, sob certas condições, podem ficar confinadas, como as ondas estacionárias em uma corda de violão que produzem notas únicas, “explica Hope Bretscher, pesquisadora de pós-doutorado do MPSD e primeira autora.
Em um violão, as pontas fixas das cordas definem onde as ondas podem se formar. Colocar os dedos nas cordas encurta a forma de onda, alterando assim o tom da nota. Na óptica, um processo semelhante ocorre quando dois espelhos prendem a luz entre eles, criando uma onda estacionária dentro do que os cientistas chamam de cavidade. Quando um material é colocado dentro da cavidade, a luz aprisionada pode interagir repetidamente com ele, alterando suas propriedades eletrônicas.
No entanto, os investigadores descobriram que os espelhos podem nem ser necessários.
“Descobrimos que a própria borda do material já atua como um espelho”, disse Kipp. Usando um espectrômetro terahertz, eles observaram fluxos de elétrons excitados refletindo nas bordas para formar quasipartículas híbridas de matéria leve chamadas polarons de plasmon.
O laboratório McIver estudou um dispositivo composto por múltiplas camadas, cada uma das quais pode atuar como cavidades espaçadas em dezenas de nanômetros. Os plasmons formados em cada camada podem, por sua vez, interagir uns com os outros – muitas vezes fortemente. “É como conectar duas cordas de um violão; uma vez conectadas, a nota muda”, disse Brecher. “As coisas mudaram dramaticamente no que nos diz respeito.”
O próximo passo é entender o que determina a frequência dessas quasipartículas e quão fortemente a luz e a matéria se acoplam. “Juntamente com o coautor Marios Michael, pesquisador de pós-doutorado no MPSD, desenvolvemos uma teoria analítica que combina as observações de nossos experimentos com apenas alguns parâmetros geométricos de amostra”, disse Kipp. “Nossa teoria pode extrair propriedades de materiais com o clique de um botão e nos ajudará a projetar e adaptar amostras futuras para obter propriedades específicas. Por exemplo, rastreando ressonâncias em função da densidade do portador, temperatura ou campos magnéticos, podemos revelar os mecanismos que conduzem diferentes fases quânticas.”
Embora este estudo tenha se concentrado em plasmas, o novo espectrômetro terahertz em escala de chip poderia detectar outros tipos de quasipartículas oscilando em muitos materiais bidimensionais diferentes. A equipe já está testando novas amostras em Hamburgo e Nova York.
“Todo o projeto foi uma descoberta fortuita. Não esperávamos ver esses efeitos de cavidade, mas estamos entusiasmados em usá-los para manipular fenômenos em futuros materiais quânticos”, disse Brecher. “Agora que temos a tecnologia para observá-los, estamos interessados em entender como eles afetam outros materiais e fases”.
