Descoberta de Cavidades em Materiais 2D

Usando um novo método de espectroscopia de terahertz (THz), os pesquisadores descobriram que pilhas finas de materiais 2D — amplamente utilizados em laboratórios de todo o mundo — podem criar naturalmente o que são chamadas de cavidades. Esses pequenos espaços confinam tanto a luz quanto os elétrons em regiões ainda menores, alterando significativamente suas interações e comportamentos.

“Descobrimos uma camada oculta de controle em materiais quânticos e abrimos um caminho para moldar interações luz-matéria de maneiras que podem nos ajudar a compreender 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.

Investigação de Respostas Quânticas

O trabalho se originou em Hamburgo, onde McIver liderou um grupo de pesquisa no Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD). O instituto é parte do Max Planck-New York Center on Nonequilibrium Quantum Phenomena, uma colaboração entre MPSD, Columbia, o Flatiron Institute e a Cornell University. Pesquisadores do Centro estudam como sistemas físicos estáveis respondem quando são afastados do equilíbrio.

A equipe de McIver explora essas questões por meio da luz. “Materiais 2D, com suas propriedades macroscópicas fascinantes, muitas vezes se comportam como caixas pretas. Ao iluminar esses materiais, podemos literalmente jogar luz sobre o comportamento oculto de seus elétrons, revelando detalhes que de outra forma permaneceriam invisíveis,” disse Gunda Kipp, doutoranda do MPSD e primeira autora do artigo. Um obstáculo, no entanto, é que os comprimentos de onda da luz necessários para investigar materiais 2D são muito maiores do que os próprios materiais, que são mais finos que um fio de cabelo humano.

Desenvolvimento do Espectroscópio em Escala de Chip

Para superar essa incompatibilidade de escala, os pesquisadores desenvolveram um espectroscópio em escala de chip que comprime a luz THz — a faixa em que muitos efeitos quânticos ocorrem — de cerca de 1 milímetro para apenas 3 micrômetros. Esse design compacto possibilitou observar diretamente como os elétrons se movem dentro dos 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.

Interações Luz-Matéria em Cavidades Quânticas

“A luz pode se acoplar aos elétrons para formar quasipartículas híbridas luz-matéria. Essas quasipartículas se movem como ondas e, sob certas condições, podem se tornar confinadas, muito parecido com a onda estacionária em uma corda de guitarra que produz uma nota distinta,” explicou Hope Bretscher, pós-doutorada do MPSD e co-primeira autora do artigo.

Em uma guitarra, as extremidades fixas da corda definem onde a onda pode se formar. Pressionar um dedo na corda encurta a onda, mudando a altura da nota. Em 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 espelhos podem não ser necessários.

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

Interação dos Plasmonos em Estruturas Multicamadas

O laboratório de 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 de maneira forte. “É como conectar duas cordas de guitarra; uma vez ligadas, a nota muda,” disse Bretscher. “No nosso caso, 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 apenas precisava de um punhado de parâmetros geográficos da amostra para coincidir com as observações de nossos experimentos,” disse Kipp. “Com apenas um clique de 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, ao rastrear ressonâncias como funções da densidade de portadores, temperatura ou campo magnético, podemos descobrir os mecanismos que impulsionam diferentes fases quânticas.”

Perspectivas Futuras para a Pesquisa de Quasipartículas

Embora este estudo tenha se concentrado nos 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 Nova York.

“Todo esse projeto foi uma descoberta um tanto serendipidosa. Não esperávamos ver esses efeitos de cavidade, mas estamos animados para usá-los para manipular fenômenos em materiais quânticos no futuro,” disse Bretscher. “E agora que temos uma técnica para vê-los, estamos intrigados para aprender como eles podem estar afetando outros materiais e fases.”