Avanço mostra que a luz pode mover átomos em semicondutores 2D

O fenômeno aparece em um subtipo de DTM chamado materiais Janus, em homenagem ao deus romano associado às transições. A sua sensibilidade à luz poderá suportar tecnologias futuras que dependam de sinais ópticos 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 de doutorado da Rice e primeiro autor do estudo. “Materiais bidimensionais, com apenas alguns átomos de espessura, tornam possível construir essas ferramentas ópticas em uma escala muito pequena.”

O que torna os materiais Janus diferentes

Os TMDs são construídos a partir de camadas empilhadas de um metal de transição, como o molibdênio, e duas camadas de um elemento calcogênio, como enxofre ou selênio. Sua combinação de condutividade, forte absorção de luz e flexibilidade mecânica os tornou candidatos-chave para dispositivos eletrônicos e ópticos de próxima geração.

Dentro deste 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 produz uma polaridade elétrica incorporada e aumenta sua sensibilidade à luz e às forças externas.

“Nosso trabalho explora como a estrutura dos materiais Janus afeta seu comportamento óptico e como a própria luz pode gerar uma força nos materiais”, disse Zhang.

Detectando movimento atômico com luz laser

Para investigar esse comportamento, a equipe usou feixes de laser de várias cores em um material Janus TMD de duas camadas composto de seleneto de enxofre de molibdênio empilhado em dissulfeto de molibdênio. Eles examinaram como ele altera a luz por meio da geração de segundo harmônico (SHG), um processo no qual o material emite luz com o dobro da frequência do feixe recebido. Quando o laser recebido correspondeu às ressonâncias naturais do material, o padrão SHG usual ficou distorcido, revelando que os átomos estavam mudando.

“Descobrimos que a luz brilhante no seleneto de enxofre e molibdênio Janus e no dissulfeto de molibdênio cria pequenas forças direcionais dentro do material, que aparecem como mudanças em seu padrão SHG”, disse Zhang. “Normalmente, o sinal SHG forma uma forma de ‘flor’ de seis pontas que reflete a simetria do cristal. Mas quando a luz atinge os átomos, esta simetria quebra – as pétalas do padrão encolhem de forma desigual.”

Optostrição e acoplamento de camadas

Os pesquisadores atribuíram a distorção SHG à optostrição, um processo no qual o campo eletromagnético da luz aplica uma força mecânica aos átomos. Nos materiais Janus, o forte acoplamento entre as camadas amplia esse efeito, permitindo que mesmo forças extremamente pequenas produzam deformações mensuráveis.

“Os materiais Janus são ideais para isso porque a sua composição irregular cria um acoplamento melhorado entre as camadas, o que os torna mais sensíveis às pequenas forças da luz – forças tão pequenas que são difíceis de medir diretamente, mas podemos detectá-las através de mudanças no padrão de sinal SHG”, disse Zhang.

Potencial para futuras tecnologias ópticas

Esta alta sensibilidade sugere que os materiais Janus podem se tornar componentes valiosos em uma ampla gama de tecnologias ópticas. Dispositivos que guiam ou controlam a luz usando esse mecanismo podem levar a chips fotônicos mais rápidos e com maior eficiência energética, uma vez que os circuitos baseados em luz produzem menos calor do que a eletrônica tradicional. Propriedades semelhantes poderiam ser usadas para construir sensores afinados que detectem vibrações ou mudanças de pressão extremamente pequenas, ou para desenvolver fontes de luz ajustáveis ​​para monitores e sistemas de imagem avançados.

“Esse controle ativo poderia 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-Curl Institute, ao Rice Advanced Materials Institute e ao Ken Kennedy Institute.

Pequenos desequilíbrios estruturais com grande impacto

Ao demonstrar como a assimetria interna dos TMDs Janus cria novas maneiras de influenciar o fluxo de luz, o estudo mostra que pequenas diferenças estruturais podem desbloquear oportunidades tecnológicas significativas.

A 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 responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente a opinião oficial das organizações e instituições financiadoras.