Uma equipe de pesquisadores da City University de Nova York e da Universidade do Texas em Austin descobriu uma maneira de fazer excitons escuros, uma classe de estados de luz anteriormente invisíveis, emitir luz brilhante e controlá-la com precisão em escala nanométrica. O estudo foi publicado em 12 de novembro Fotônica da Naturezasalientando que as tecnologias futuras poderão funcionar mais rapidamente, utilizar menos energia e encolher para tamanhos mais pequenos.
Excitons escuros se formam em materiais semicondutores ultrafinos e geralmente são indetectáveis porque emitem apenas luz fraca. Mesmo assim, os cientistas há muito que os consideram promissores para informação quântica e fotónica avançada porque interagem com a luz de formas invulgares, permanecem estáveis durante períodos de tempo relativamente longos e são menos perturbados pelo ambiente que os rodeia, o que ajuda a reduzir a decoerência.
Amplificando excitons escuros por meio de design em nanoescala
Para trazer à tona esses estados ocultos, os pesquisadores criaram uma pequena cavidade óptica feita de nanotubos de ouro combinados com uma única camada de disseleneto de tungstênio (WSe2), um material com apenas três átomos de espessura. Esta estrutura aumenta o brilho dos excitons escuros por um fator de 300.000, tornando-os claramente visíveis e permitindo um controle preciso do seu comportamento.
“Este trabalho demonstra que podemos acessar e manipular estados da matéria na luz que antes eram inacessíveis”, disse Andrea Alù, Distinto Professor de Física no CUNY Graduate Center, Einstein Professor de Física e diretor fundador do Programa de Fotônica no CUNY ASRC Advanced Science Research Center (CUNY ASRC). “Ao ativar e desativar esses estados ocultos à vontade e controlá-los com resolução em escala nanométrica, oferecemos oportunidades interessantes para avançar de forma disruptiva em tecnologias ópticas e quânticas de próxima geração, incluindo detecção e computação.”
Controle elétrico e magnético de estados quânticos ocultos
A equipe também demonstrou que esses excitons escuros podem ser trocados e sintonizados usando campos elétricos e magnéticos. Este nível de controle poderia permitir novos projetos para fotônica no chip, detectores altamente sensíveis e comunicações quânticas seguras. É importante ressaltar que o método preservou as propriedades originais do material, ao mesmo tempo em que alcançou melhorias recordes no acoplamento luz-matéria.
“Nosso estudo revela uma nova família de excitons escuros com rotação proibida que nunca foi observada antes”, disse o primeiro autor Jiamin Quan. “Esta descoberta é apenas o começo – abre caminho para a exploração de muitos outros estados quânticos ocultos em materiais bidimensionais.”
Resolvendo o debate plasmônico
As descobertas também abordam uma questão de longa data sobre se as estruturas plasmônicas podem aumentar os excitons escuros quando aproximadas sem alterar suas propriedades fundamentais. Os pesquisadores resolveram esse problema projetando heteroestruturas plasmônicas feitas de camadas nanométricas de nitreto de boro, que se mostraram cruciais para revelar os recém-descobertos excitons escuros.
Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, pelo Escritório de Pesquisa Naval e pela National Science Foundation.
