O fenômeno aparece em um subtipo de TMDs chamado materiais Janus, nomeados em homenagem ao deus romano associado a transições. Sua sensibilidade à luz pode apoiar tecnologias futuras que dependem de sinais ópticos em vez de correntes elétricas, incluindo chips de computador mais rápidos e frios, sensores altamente responsivos e sistemas optoeletrônicos flexíveis.

“Na óptica não linear, a luz pode ser remodelada para criar novas cores, pulsos mais rápidos ou interruptores ópticos que ligam e desligam sinais,” disse Kunyan Zhang, uma ex-aluna de doutorado de Rice e autora principal do estudo. “Materiais bidimensionais, que têm apenas algumas camadas atômicas de espessura, possibilitam a construção dessas ferramentas ópticas em uma escala muito pequena.”

O Que Torna os Materiais Janus Diferentes

Os TMDs são construídos a partir de camadas empilhadas de um metal de transição, como molibdênio, e duas camadas de um elemento calcógeno, como enxofre ou selênio. Sua combinação de condutividade, forte absorção de luz e flexibilidade mecânica os tornou candidatos chave para dispositivos eletrônicos e ópticos de próxima geração.

Dentros desse grupo, os materiais Janus se destacam porque suas camadas atômicas superiores e inferiores são compostas de elementos químicos diferentes, conferindo-lhes uma estrutura assimétrica. Esse desequilíbrio produz uma polaridade elétrica embutida e aumenta sua sensibilidade à luz e a forças externas.

“Nosso trabalho explora como a estrutura dos materiais Janus afeta seu comportamento óptico e como a luz pode gerar uma força nos materiais,” disse Zhang.

Detectando Movimento Atômico Com Luz Laser

Para investigar esse comportamento, a equipe usou feixes de laser de várias cores em um material TMD Janus de duas camadas, composto por molibdênio enxofre selênio empilhado sobre molibdênio disulfeto. Eles examinaram como isso altera a luz através da geração de segundo harmônico (SHG), um processo no qual o material emite luz a uma frequência duas vezes maior que a do feixe de entrada. Quando o laser de entrada correspondia às ressonâncias naturais do material, o padrão habitual de SHG se distorceu, revelando que os átomos estavam se deslocando.

“Descobrimos que iluminar o molibdênio enxofre selênio Janus e o molibdênio disulfeto cria pequenas forças direcionais dentro do material, que se manifestam como mudanças em seu padrão de SHG,” disse Zhang. “Normalmente, o sinal de SHG forma uma forma de ‘flor’ de seis pétalas que espelha a simetria do cristal. Mas quando a luz empurra os átomos, essa simetria se quebra — as pétalas do padrão encolhem de forma desigual.”

Optostricção e Acoplamento de Camadas

Os pesquisadores rastrearam a distorção do SHG até a optostricção, um processo no qual o campo eletromagnético da luz aplica uma força mecânica sobre os átomos. Em materiais Janus, o forte acoplamento entre as camadas amplifica esse efeito, permitindo que até mesmo forças extremamente pequenas produzam deformações mensuráveis.

“Materiais Janus são ideais para isso porque sua composição desigual cria um acoplamento aprimorado entre as camadas, o que os torna mais sensíveis às pequenas forças da luz — forças tão pequenas que é difícil medi-las diretamente, mas podemos detectá-las através de mudanças no padrão de sinal de SHG,” disse Zhang.

Potencial para Futuras Tecnologias Ópticas

Essa alta sensibilidade sugere que os materiais Janus poderiam se tornar componentes valiosos em uma ampla gama de tecnologias ópticas. Dispositivos que guiariam ou controlariam a luz usando esse mecanismo poderiam levar a chips fotônicos mais rápidos e energeticamente eficientes, uma vez que circuitos baseados em luz produzem menos calor do que a eletrônica tradicional. Propriedades semelhantes poderiam ser usadas para construir sensores finamente ajustados que detectam vibrações ou mudanças de pressão extremamente pequenas, ou para desenvolver fontes de luz ajustáveis para displays avançados e sistemas de imagem.

“Esse controle ativo poderia ajudar a projetar chips fotônicos de próxima geração, detectores ultrasensíveis ou fontes quânticas de luz — tecnologias que usam luz para transmitir e processar informações em vez de depender da eletricidade,” disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e ciência de materiais e nanoengenharia na Rice e autor correspondente do estudo. Huang também é afiliado ao Instituto Smalley-Curl, ao Instituto de Materiais Avançados da Rice e ao Instituto Ken Kennedy.

Pequenos Desequilíbrios Estruturais Com Grande Impacto

Ao demonstrar como a assimetria interna dos TMDs Janus cria novas maneiras de influenciar o fluxo de luz, o estudo mostra que pequenas diferenças estruturais podem desbloquear oportunidades tecnológicas significativas.

A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation (2246564, 1943895), pelo Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0408), pela Welch Foundation (C-2144), pelo U.S. Department of Energy (DE‐SC0020042, DE-AC02-05CH11231), pelo U.S. Air Force Office of Scientific Research (FA2386-24-1-4049) e pelo Ministério da Educação de Taiwan. O conteúdo deste artigo é de total responsabilidade dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais das organizações e instituições financiadoras.