Laseres fazem átomos balançar, preparando o amanhã da eletrônica

Colaboração entre especialistas

Tyler Cocker, professor associado na Faculdade de Ciências Naturais, e Jose L. Mendoza-Cortes, professor assistente nas faculdades de Engenharia e Ciências Naturais, combinaram os lados experimental e teórico da mecânica quântica – o estudo das formas estranhas com que os átomos se comportam em escalas muito pequenas – para expandir os limites do que os materiais podem fazer para melhorar as tecnologias eletrônicas que utilizamos todos os dias.

“Esta experiência tem sido um lembrete de como é a ciência de verdade, pois encontramos materiais que estão funcionando de maneiras que não esperávamos,” disse Cocker. “Agora, queremos explorar algo que será tecnologicamente interessante para as pessoas no futuro.”

Experimentos com tungstênio ditelureto

Usando um material chamado tungstênio ditelureto, ou WTe2, que é composto por uma camada de átomos de tungstênio, ou W, prensada entre duas camadas de átomos de telureto, ou Te, a equipe de Cocker conduziu uma série de experimentos com um microscópio especializado que eles construíram. Enquanto os microscópios são geralmente utilizados para observar coisas que são difíceis para o olho humano ver, como células individuais, o microscópio de tunelamento por varredura de Cocker pode mostrar átomos individuais na superfície de um material. Ele faz isso movendo uma ponta metálica extremamente afiada sobre a superfície, “sentindo” os átomos através de um sinal elétrico, como se estivesse lendo em braille. Ao observar os átomos na superfície de WTe2, Cocker e sua equipe usaram um laser super-rápido para criar pulsos de luz na faixa de terahertz que se moviam a velocidades de centenas de trilhões de vezes por segundo. Esses pulsos de terahertz foram focalizados na ponta. Na ponta, a força dos pulsos foi aumentada enormemente, permitindo que os pesquisadores agitasem a camada superior de átomos diretamente abaixo da ponta e a desalinhassem suavemente das camadas restantes abaixo dela. Pense nisso como uma pilha de folhas de papel, onde a folha de cima está ligeiramente torta.

Propriedades eletrônicas alteradas

Enquanto os pulsos de laser iluminavam a ponta e o WTe2, a camada superior do material se comportava de maneira diferente, exibindo novas propriedades eletrônicas que não foram observadas quando o laser estava desligado. Cocker e sua equipe perceberam que os pulsos de terahertz, juntamente com a ponta, poderiam ser usados como um interruptor em escala nanométrica para alterar temporariamente as propriedades elétricas do WTe2, preparando o caminho para a próxima geração de dispositivos. O microscópio de Cocker poderia até ver os átomos se movendo durante esse processo e fotografar os estados únicos de “ligado” e “desligado” do interruptor que eles criaram.

Sinergia entre teoria e experimento

Quando Cocker e Mendoza-Cortes perceberam que estavam trabalhando em projetos semelhantes a partir de perspectivas diferentes, o lado experimental de Cocker se uniu com o lado teórico da mecânica quântica de Mendoza. A pesquisa de Mendoza-Cortes se concentra em criar simulações computacionais. Ao comparar os resultados dos cálculos quânticos de Mendoza com os experimentos de Cocker, ambos os laboratórios obtiveram os mesmos resultados – independentemente e usando ferramentas diferentes.

“Nossa pesquisa é complementar; são as mesmas observações, mas através de lentes diferentes,” disse Mendoza-Cortes. “Quando nosso modelo coincidia com as mesmas respostas e conclusões que encontraram em seus experimentos, temos uma imagem melhor do que está acontecendo.”

Movimentos localizados e suas implicações

O laboratório de Mendoza descobriu computacionalmente que as camadas de WTe2 se deslocam em 7 picômetros enquanto estão se agitando, o que é difícil de observar apenas pelo microscópio especializado. Além disso, eles puderam confirmar que as frequências com que os átomos se agitam combinam entre a experiência e a teoria, mas os cálculos quânticos podem indicar para qual direção eles se movem e em que quantidade.

“O movimento ocorre apenas na camada superior, portanto, é muito localizado,” disse Daniel Maldonado-Lopez, um estudante de pós-graduação no quarto ano no laboratório de Mendoza. “Isso pode potencialmente ser aplicado na construção de eletrônicos mais rápidos e menores.”

Cocker e Mendoza-Cortes esperam que esta pesquisa leve à utilização de novos materiais, redução de custos, maior velocidade e eficiência energética para futuros telefones e tecnologias de computadores.

“Quando você pensa no seu smartphone ou no seu laptop, todos os componentes que estão lá dentro são feitos de um material,” disse Stefanie Adams, uma estudante de pós-graduação no quarto ano no laboratório de Cocker. “Em algum momento, alguém decidiu que esse seria o material que usaríamos.”

A pesquisa foi publicada na Nature Photonics e foi apoiada em parte por recursos e serviços computacionais fornecidos pelo Instituto de Pesquisa Cibernética da Michigan State University.

Por que isso é importante:

• Agitar átomos em novos materiais quânticos pode levar a eletrônicos mais eficientes, que são menores e mais rápidos.
• Esses novos materiais têm propriedades surpreendentes e podem ser elementos-chave para computadores quânticos da próxima geração.