Excitons escuros se formam em materiais semicondutores ultra-finos e normalmente permanecem indetectáveis porque liberam apenas uma luz tênue. Mesmo assim, os cientistas os consideram promissores para a informação quântica e fotônica avançada porque interagem com a luz de maneiras incomuns, permanecem estáveis por períodos relativamente longos e sofrem menos perturbações do ambiente, o que ajuda a reduzir a decoerência.

Amplicando Excitons Escuros com Design Nanoscale

Para trazer esses estados ocultos à tona, os pesquisadores criaram uma pequena cavidade óptica construída a partir de nanotubos de ouro combinados com uma única camada de diseleneto de tungstênio (WSe2), um material com apenas três átomos de espessura. Esta estrutura aumentou o brilho dos excitons escuros em um fator extraordinário de 300.000, tornando-os claramente observáveis e permitindo que seu comportamento fosse precisamente controlado.

“Este trabalho mostra que podemos acessar e manipular estados luz-matéria que estavam além do alcance”, disse Andrea Alù, investigador principal, Professor Distinto e Einstein de Física no CUNY Graduate Center e diretor fundador da Iniciativa de Fotônica do Centro de Pesquisa em Ciências Avançadas do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC). “Ao ativar e desativar esses estados ocultos à vontade e controlá-los com resolução em escala nanométrica, abrimos oportunidades empolgantes para avançar de forma disruptiva as tecnologias ópticas e quânticas de próxima geração, incluindo para sensoriamento e computação.”

Controle Elétrico e Magnético de Estados Quânticos Ocultos

A equipe também demonstrou que esses excitons escuros podem ser ativados e ajustados usando campos elétricos e magnéticos. Este nível de controle poderia apoiar novos designs para fotônica em chip, detectores altamente sensíveis e comunicação quântica segura. É importante ressaltar que o método preserva as características originais do material enquanto ainda alcança melhorias recordes no acoplamento luz-matéria.

“Nosso estudo revela uma nova família de excitons escuros proibidos por spin que nunca tinham sido observados antes”, afirmou o autor principal Jiamin Quan. “Esta descoberta é apenas o começo – ela abre um caminho para explorar muitos outros estados quânticos ocultos em materiais 2D.”

Resolvendo um Debate em Plasmonica

Os achados também abordam uma questão antiga sobre se estruturas plasmonicas podem aumentar excitons escuros sem alterar sua natureza fundamental quando colocados em proximidade. Os pesquisadores resolveram isso projetando uma heteroestrutura plasmonica-excitônica feita com camadas de nitreto de boro com espessura nanométrica, que provaram ser essenciais para revelar os novos excitons escuros identificados.

O trabalho recebeu apoio do Air Force Office of Scientific Research, do Office of Naval Research e da National Science Foundation.