Cientistas tropeçam em um truque quântico oculto em materiais 2D

Usando um novo método de espectroscopia terahertz (THz), os pesquisadores descobriram que finas pilhas de materiais 2D – comumente usadas em laboratórios em todo o mundo – podem criar naturalmente o que chamamos de cavidades. Esses pequenos espaços confinam a luz e os elétrons em regiões ainda menores, alterando significativamente suas interações e comportamento.

“Descobrimos uma camada oculta de controle nos materiais quânticos e abrimos um caminho para moldar as interações luz-matéria de maneiras que poderiam nos ajudar a compreender as fases exóticas da matéria e, em última análise, aproveitá-las para futuras tecnologias quânticas”, disse James McIver, professor assistente de física na Columbia e autor principal do artigo.

O trabalho tem origem em 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 Max Planck-New York Center on Nonequilibrium Quantum Phenomena, uma colaboração entre MPSD, Columbia, Flatiron Institute e Cornell University. Os pesquisadores do Centro estudam como os sistemas físicos estáveis ​​respondem quando afastados do equilíbrio.

A equipe de McIver explora essas questões através da luz. “Materiais 2D, com as suas fascinantes propriedades macroscópicas, muitas vezes comportam-se como caixas pretas. Ao incidir luz sobre eles, podemos literalmente lançar luz sobre o comportamento oculto dos seus eletrões, revelando detalhes que de outra forma permaneceriam invisíveis,” disse Gunda Kipp, estudante de doutoramento no MPSD e primeiro autor do artigo. Um obstáculo, no entanto, é que os comprimentos de onda da luz necessários para sondar materiais 2D são muito maiores do que os próprios materiais, que são mais finos que um fio de cabelo humano.

Para superar esta incompatibilidade de escala, os pesquisadores desenvolveram um espectroscópio do tamanho de um chip que comprime a luz THz – a faixa onde ocorrem muitos efeitos quânticos – de cerca de 1 milímetro até apenas 3 micrômetros. Este design compacto tornou possível observar diretamente como os elétrons se movem dentro de materiais 2D. Eles primeiro testaram sua abordagem 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 a electrões para formar quasipartículas híbridas de matéria leve. Estas quasipartículas movem-se como ondas e, sob certas condições, podem ficar confinadas, tal como a onda estacionária numa corda de guitarra que produz uma nota distinta,” explicou a colega de pós-doutoramento e co-autora do MPSD, Hope Bretscher.

Em um violão, as pontas fixas da corda definem onde a onda pode se formar. Pressionar um dedo na corda encurta a onda, alterando 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 dessa cavidade, a luz aprisionada pode interagir repetidamente com ele, alterando suas propriedades eletrônicas.

No entanto, os pesquisadores descobriram que os espelhos podem nem ser necessários.

“Descobrimos que as próprias bordas do material já atuam como espelhos”, disse Kipp. Com seu espectroscópio THz, eles observaram que fluxos excitados de elétrons refletem nas bordas para formar um tipo de quasipartícula híbrida de matéria leve chamada plasmon polariton.

O laboratório McIver estudou um dispositivo composto por múltiplas camadas, cada uma das quais pode atuar como uma cavidade separada por algumas dezenas de nanômetros. Os plasmons que se formam em cada camada podem, por sua vez, interagir – muitas vezes fortemente. “É como conectar duas cordas de um violão; uma vez unidas, a nota muda”, disse Bretscher. “No nosso caso, isso muda drasticamente.”

O próximo passo foi entender o que determina as frequências dessas quasipartículas e quão fortemente a luz e a matéria se acoplam. “Com o coautor e pós-doutorado do MPSD, Marios Michael, desenvolvemos uma teoria analítica que precisava apenas de alguns parâmetros geométricos de amostra para corresponder às observações de nossos experimentos”, disse Kipp. “Com apenas um clique de um botão, nossa teoria pode extrair as propriedades de um material e nos ajudará a projetar e adaptar amostras futuras para obter propriedades específicas. Por exemplo, rastreando ressonâncias como funções de densidade de portador, temperatura ou campo magnético, podemos descobrir os mecanismos que conduzem diferentes fases quânticas.”

Embora este estudo tenha se concentrado em plasmons, o novo espectroscópio THz em escala de chip poderia detectar outros tipos de quasipartículas oscilando em muitos materiais 2D diferentes. A equipe já está testando novas amostras em Hamburgo e em Nova York.

“Todo este projeto foi uma descoberta fortuita. Não esperávamos ver esses efeitos de cavidade, mas estamos entusiasmados em usá-los para manipular fenômenos em materiais quânticos daqui para frente”, disse Bretscher. “E agora que temos uma técnica para vê-los, estamos intrigados em saber como eles podem estar afetando outros materiais e fases.”