Pesquisadores da Unicamp manipulam quasipartículas usando ondas de som

Com informações da Agência Fapesp - 16/12/2021

Ilustração da interação de uma onda acústica de superfície com éxcitons neutros (uma carga positiva e uma negativa) e tríons (duas cargas negativas e uma positiva) em um material semicondutor bidimensional. As setas indicam a emissão dos fótons.
[Imagem: Diego Scolfaro]

Éxcitons

Estamos bem familiarizados com prótons, nêutrons, elétrons e fótons, mas você já ouviu falar em éxcitons?

Éxcitons são quasipartículas compostas por um elétron (portador de carga negativa) e uma ausência de elétron, mais conhecida como lacuna, ou buraco, a portadora de carga positiva.

Em vez de colapsarem, elétron e lacuna podem interagir, formando um estado ligado estável. Esse par tem o comportamento similar ao de uma partícula - ele se torna uma quasipartícula - e recebe o nome de éxciton.

Os éxcitons têm grande interesse tecnológico porque podem se produzidos com luz, utilizando-se laser, e seu estado quântico também pode ser lido opticamente, a partir da detecção da luz que ele emite (um fóton) quando elétron e lacuna eventualmente se recombinam.

O fóton emitido carrega informação sobre o spin e o momento angular orbital dos éxcitons. Em uma analogia com os circuitos eletrônicos (baseados em elétrons), é possível imaginar circuitos compostos por éxcitons, nos quais a informação é codificada no estado quântico dessas quasipartículas e a manipulação da informação é feita mediante a aplicação de campos elétricos e magnéticos. É essa possibilidade que coloca os éxcitons na crista da onda de plataformas emergentes de computação.

E físicos brasileiros acabam de criar mais uma possibilidade de exploração prática dessas quasipartículas: Eles manipularam éxcitons usando ondas sonoras, ou acústicas.

Manipulação acústica de éxcitons

Diego Scolfaro e seus colegas da Unicamp utilizaram um material semicondutor quase-bidimensional, formado por uma única camada de átomos de disseleneto de molibdênio (MoSe₂), ou molibdenita, que possui a característica de emitir luz fortemente, em temperatura ambiente, na banda do espectro eletromagnético correspondente à luz visível.

"Um dos interesses nesse tipo de material é a forte interação entre elétrons e buracos, que permite que emitam luz com eficiência em temperatura ambiente, diferentemente do que ocorre com outras nanoestruturas semicondutoras. Por outro lado, exatamente pelo fato de a interação excitônica ser tão forte, a manipulação eficiente dos estados excitônicos torna-se bastante difícil," explicou o professor Odilon Couto, orientador do trabalho.

Em vez de luz, os pesquisadores utilizaram ondas acústicas de superfície, ou ondas de Rayleigh, para uma possibilidade alternativa de manipular dois tipos de éxcitons nessa classe de materiais 2D: Éxcitons neutros, isto é, cada qual composto por um elétron e um buraco; e tríons, cada qual composto por dois elétrons e um buraco.

"As ondas acústicas de superfície nada mais são do que deformações mecânicas geradas em uma direção bem definida do material. Elas carregam um campo piezoelétrico, que pode ser utilizado para manipular e modular as interações excitônicas, de modo a controlar a taxa e a energia da emissão de luz," esclareceu Odilon - a piezoeletricidade é a capacidade que alguns materiais têm de gerar tensão elétrica em resposta à pressão mecânica, e vice-versa.

Esquema do aparato experimental usado pela equipe.
[Imagem: Diego Scolfaro et al. - 10.1021/acsnano.1c06854]

Componente binário

"Além de manipular a emissão excitônica, a onda acústica permite também quebrar os éxcitons e criar, em decorrência, um sistema liga-desliga: Sem onda acústica, ocorre a emissão de luz; com onda acústica, a emissão é abortada," contou o pesquisador - um sistema liga-desliga é a essência de um componente binário, como uma memória.

Uma vez quebrado o éxciton, o elétron e o buraco são carregados pela onda, vindo a se recombinar mais para a frente. O destaque aqui, diz o professor Odilon, é que, controlando-se todos os parâmetros da onda superficial, o que é relativamente simples de fazer, torna-se possível manipular os éxcitons no material de forma mais previsível.

"Um dos resultados que obtivemos foi determinar experimentalmente alguns parâmetros que ainda não haviam sido reportados na literatura, como a polarizabilidade elétrica de éxcitons e tríons em monocamadas de MoSe₂," finalizou.

Conceito promissor

O trabalho é ainda uma demonstração de conceito, mas em um campo que está florescendo.

Os éxcitons manipulados por luz são os elementos ativos em uma série de avanços recentes, como transistores de luz, lasers quânticos, qubits de luz líquida e várias técnicas de computação feita com luz.

As ondas acústicas superficiais, por sua vez, são largamente usadas em equipamentos eletroeletrônicos, incluindo sistemas de comunicação, conversores AC/DC, filtros etc. Mas elas também têm encontrado aplicações nas tecnologias emergentes, incluindo linhas de montagem nanotecnológicas, pinças acústicas e até computadores quânticos acústicos.

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