Truque em nanoescala faz “excitons escuros” brilharem 300.000 vezes mais fortes
Um grupo de pesquisa da City University de Nova York e da Universidade do Texas em Austin descobriu um método para fazer com que excitons escuros, uma classe de estados de luz nunca antes vistos, emitam luz brilhante e sejam controlados com precisão em nanoescala. O estudo, publicado em 12 de novembro em Fotônica da Naturezaaponta para tecnologias futuras que poderiam operar mais rapidamente, usar menos energia e encolher para tamanhos ainda menores.
Excitons escuros se formam em materiais semicondutores ultrafinos e normalmente permanecem indetectáveis porque liberam apenas luz fraca. Mesmo assim, os cientistas há muito que os consideram promissores para a informação quântica e para a fotónica avançada, porque interagem com a luz de formas invulgares, permanecem estáveis durante períodos relativamente longos e sofrem menos perturbações do seu entorno, o que ajuda a reduzir a decoerência.
Amplificando Excitons Escuros com Design em Nanoescala
Para trazer à tona esses estados ocultos, os pesquisadores criaram uma pequena cavidade óptica construída a partir de nanotubos de ouro combinados com uma única camada de disseleneto de tungstênio (WSe2), um material com apenas três átomos de espessura. Esta estrutura aumentou o brilho dos excitons escuros por um fator extraordinário de 300.000, tornando-os claramente observáveis e permitindo que o seu comportamento fosse controlado com precisão.
“Este trabalho mostra que podemos acessar e manipular estados de matéria leve que antes estavam fora de alcance”, disse a investigadora principal Andrea Alù, Distinta e Einstein Professora de Física no Centro de Pós-Graduação da CUNY e diretora fundadora da Iniciativa Fotônica no Centro de Pesquisa Científica Avançada do Centro de Pós-Graduação da CUNY (CUNY ASRC). “Ao ativar e desativar esses estados ocultos à vontade e controlá-los com resolução em nanoescala, abrimos oportunidades interessantes para avançar de forma disruptiva em tecnologias ópticas e quânticas de próxima geração, inclusive para detecção e computação.”
Controle Elétrico e Magnético de Estados Quânticos Ocultos
A equipe também demonstrou que esses excitons escuros podem ser trocados e ajustados usando campos elétricos e magnéticos. Este nível de controle poderia apoiar novos projetos para fotônica no chip, detectores altamente sensíveis e comunicação quântica segura. É importante ressaltar que o método preserva as características originais do material, ao mesmo tempo que alcança melhorias recordes no acoplamento de matéria leve.
“Nosso estudo revela uma nova família de excitons escuros proibidos de spin que nunca haviam sido observados antes”, disse o primeiro autor Jiamin Quan. “Esta descoberta é apenas o começo – abre um caminho para explorar muitos outros estados quânticos ocultos em materiais 2D.”
Resolvendo um Debate em Plasmônica
As descobertas também abordam uma questão de longa data sobre se as estruturas plasmônicas podem aumentar os excitons escuros sem alterar sua natureza fundamental quando colocadas próximas. Os pesquisadores resolveram isso projetando uma heteroestrutura plasmônica-excitônica feita com camadas de nitreto de boro com espessura nanométrica, que se mostrou essencial para revelar os excitons escuros recentemente identificados.
O trabalho recebeu apoio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, do Escritório de Pesquisa Naval e da National Science Foundation.
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