Pesquisadores desbloquearam um novo atalho para materiais quânticos

Essa ideia pode parecer fantasia, mas está no cerne de uma área emergente da física conhecida como engenharia Floquet. Os pesquisadores nesta área estudam como influências repetidas, como a luz cuidadosamente ajustada, podem remodelar temporariamente a maneira como os elétrons se comportam dentro de um material. Quando isso acontece, uma substância familiar como um semicondutor pode assumir brevemente propriedades incomuns, incluindo comportamentos normalmente associados a supercondutores.

Embora a teoria básica por trás da física Floquet remonte a uma proposta de 2009 de Oka e Aoki, a prova experimental tem sido difícil. Apenas um pequeno número de experimentos na última década demonstraram com sucesso efeitos claros do Floquet. Uma limitação importante tem sido a necessidade de luz extremamente intensa. Esses altos níveis de energia chegam perto de destruir o material, mas ainda produzem apenas mudanças modestas.

Excitons oferecem uma alternativa mais eficiente

Os pesquisadores identificaram agora uma nova maneira promissora de obter efeitos Floquet sem depender de condições de luz tão extremas. Uma equipa global liderada pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e pela Universidade de Stanford demonstrou que os excitons podem conduzir estes efeitos de forma muito mais eficiente do que apenas a luz. Suas descobertas foram publicadas na Nature Physics.

“Os excitons acoplam-se muito mais fortemente ao material do que os fótons devido à forte interação de Coulomb, particularmente em materiais 2D, “diz o professor Keshav Dani da Unidade de Espectroscopia de Femtossegundos do OIST, “e eles podem, assim, alcançar fortes efeitos Floquet, evitando os desafios impostos pela luz. Com isso, temos um novo caminho potencial para os futuros dispositivos e materiais quânticos exóticos que a engenharia Floquet promete. “

Esta abordagem aponta para um novo caminho para controlar materiais quânticos e, ao mesmo tempo, reduzir o risco de danos.

Como a Floquet Engineering muda os materiais quânticos

A engenharia Floquet há muito é vista como uma forma possível de criar materiais quânticos personalizados a partir de semicondutores comuns. A ideia é baseada em um princípio físico familiar. Quando um sistema sofre uma influência repetida, a sua resposta pode tornar-se mais complexa do que a própria repetição. Um exemplo simples é o balanço de um playground, onde empurrões cronometrados fazem com que o balanço suba mais alto, mesmo que o movimento permaneça rítmico.

Nos materiais quânticos, os elétrons já experimentam uma estrutura repetitiva porque os átomos estão dispostos em uma rede cristalina ordenada. Essa repetição espacial restringe os elétrons a níveis de energia específicos, conhecidos como bandas. Quando a luz com frequência fixa interage com o cristal, ela introduz uma segunda influência repetitiva que se desdobra ao longo do tempo. À medida que os fótons interagem ritmicamente com os elétrons, as bandas de energia permitidas mudam.

Ajustando cuidadosamente a frequência e a intensidade da luz, os elétrons podem ocupar temporariamente novas bandas de energia híbrida. Essas mudanças afetam a forma como os elétrons se movem e interagem, o que altera as propriedades gerais do material. Quando a luz é apagada, o material retorna ao seu estado original. Durante a interação, no entanto, os pesquisadores podem efetivamente revestir os materiais com novos comportamentos quânticos.

Por que as abordagens baseadas em luz ficam aquém

“Até agora, a engenharia Floquet tem sido sinônimo de acionamentos leves”, diz Xing Zhu, estudante de doutorado na OIST. “Mas embora estes sistemas tenham sido fundamentais para provar a existência dos efeitos Floquet, a luz acopla-se fracamente à matéria, o que significa que frequências muito altas, muitas vezes na escala de femtossegundos, são necessárias para alcançar a hibridização. Tais níveis de energia elevados tendem a vaporizar o material, e os efeitos têm vida muito curta. Por outro lado, a engenharia excitônica do Floquet requer intensidades muito mais baixas.”

Este desafio retardou o progresso em direção a aplicações práticas.

O que são excitons e por que são importantes

Os excitons se formam dentro dos semicondutores quando os elétrons absorvem energia e saltam do estado de repouso na banda de valência para um estado de energia mais elevado na banda de condução. Este processo deixa para trás um buraco carregado positivamente. O elétron e o buraco permanecem ligados como uma quasipartícula de vida curta até que o elétron volte e emita luz.

Como os excitons se originam dos elétrons do próprio material, eles interagem muito mais fortemente com a estrutura circundante do que a luz externa. Eles também carregam energia oscilante de sua excitação inicial, que influencia os elétrons próximos em frequências ajustáveis.

“Os excitons carregam energia auto-oscilante, transmitida pela excitação inicial, que impacta os elétrons circundantes no material em frequências ajustáveis. Como os excitons são criados a partir dos elétrons do próprio material, eles se acoplam muito mais fortemente ao material do que à luz. E, crucialmente, é necessária significativamente menos luz para criar uma população de excitons densa o suficiente para servir como um impulso periódico eficaz para a hibridização – que é o que observamos agora, “explica o co-autor Professor Gianluca Stefanucci do Universidade de Roma Tor Vergata.

Capturando o efeito com espectroscopia avançada

Este avanço se baseia em anos de pesquisa de excitons no OIST e no desenvolvimento de um poderoso sistema TR-ARPES (espectroscopia de fotoemissão com resolução de tempo e ângulo).

Para separar os efeitos da luz daqueles dos excitons, a equipe estudou um semicondutor atomicamente fino. Eles primeiro aplicaram um forte drive óptico (ou seja, leve) para observar diretamente as mudanças na estrutura da banda eletrônica, confirmando o comportamento esperado do Floquet. Em seguida, reduziram a intensidade da luz em mais de uma ordem de grandeza e mediram a resposta eletrônica 200 femtossegundos depois. Este tempo permitiu-lhes isolar a contribuição excitónica.

“Os experimentos falaram por si”, diz o Dr. Vivek Pareek, graduado do OIST e agora é bolsista de pós-doutorado presidencial no Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Levamos dezenas de horas de aquisição de dados para observar as réplicas do Floquet com luz, mas apenas cerca de duas para obter o Floquet excitônico – e com um efeito muito mais forte.”

Rumo ao design prático de materiais quânticos

Os resultados mostram que os efeitos Floquet não se limitam às técnicas baseadas em luz. Eles também podem ser gerados de forma confiável usando outras partículas bosônicas além dos fótons. A engenharia Excitonic Floquet requer muito menos energia do que os métodos ópticos e abre a porta para um conjunto mais amplo de ferramentas.

Em princípio, efeitos semelhantes poderiam ser alcançados usando fônons (usando vibração acústica), plasmons (usando elétrons flutuantes), magnons (usando campos magnéticos) e outras excitações. Juntas, essas possibilidades aproximam a engenharia Floquet do uso prático e da criação confiável de novos materiais e dispositivos quânticos.

“Abrimos as portas para a física Floquet aplicada”, conclui o co-autor do estudo, Dr. David Bacon, antigo investigador do OIST agora na University College London, “a uma grande variedade de bósons. Isto é muito emocionante, dado o seu forte potencial para criar e manipular diretamente materiais quânticos. Ainda não temos a receita para isso – mas agora temos a assinatura espectral necessária para os primeiros passos práticos.”