Assim como as ondas sobrepostas em um lago podem amplificar ou cancelar umas às outras, ondas de diversos tipos — incluindo luz, som e vibrações atômicas — podem interferir entre si. No nível quântico, esse tipo de interferência potencializa sensores de alta precisão e pode ser aproveitado para a computação quântica.
Em um novo estudo publicado na Science Advances, pesquisadores da Universidade Rice e colaboradores demonstraram uma forma intensa de interferência entre fônons — as vibrações na estrutura de um material que constituem as menores unidades, ou quanta, de calor ou som nesse sistema. O fenômeno em que dois fônons com diferentes distribuições de frequência interferem um com o outro, conhecido como ressonância de Fano, foi duas ordens de magnitude maior do que qualquer relato anterior.
“Embora esse fenômeno seja bem estudado para partículas como elétrons e fótons, a interferência entre fônons foi muito menos explorada”, disse Kunyan Zhang, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice e primeiro autor do estudo. “Essa é uma oportunidade perdida, uma vez que os fônons podem manter seu comportamento de onda por um longo tempo, tornando-os promissores para dispositivos estáveis de alta performance.”
Ao mostrar que os fônons podem ser aproveitados tão efetivamente quanto a luz ou os elétrons, o estudo abre caminho para uma nova geração de tecnologias baseadas em fônons. A descoberta da equipe se baseou no uso de um metal bidimensional sobre uma base de carbeto de silício. Usando uma técnica chamada heteroepitaxia de confinamento, os pesquisadores intercalaram apenas algumas camadas de átomos de prata entre uma camada de grafeno e o carbeto de silício, produzindo uma interface bem unida com propriedades quânticas notáveis.
“O metal 2D desencadeia e fortalece a interferência entre os diferentes modos vibracionais no carbeto de silício, alcançando níveis recordes”, afirmou Zhang.
A equipe de pesquisa estudou como os fônons se interferem uns com os outros observando a forma de seu sinal na espectroscopia Raman, uma técnica que mede os modos vibracionais de um material. O espectro revelou uma forma de linha acentuadamente assimétrica e, em alguns casos, mostrou um mergulho completo, formando um padrão de antiressonância característico de interferência intensa.
O efeito se provou altamente sensível às especificidades da superfície de carbeto de silício. A comparação entre três diferentes terminações de superfície de carbeto de silício revelou uma clara ligação entre cada superfície e sua forma de linha Raman única. Além disso, quando os pesquisadores introduziram uma única molécula de corante na superfície, a forma da linha espectral mudou dramaticamente.
“Essa interferência é tão sensível que pode detectar a presença de uma única molécula”, disse Zhang. “Ela possibilita a detecção de moléculas únicas sem rótulos, utilizando um setup simples e escalável. Nossos resultados abrem um novo caminho para o uso de fônons na detecção quântica e em detecções moleculares de próxima geração.”
Explorando a dinâmica do efeito em baixas temperaturas, os pesquisadores confirmaram que a interferência provinha puramente de interações entre fônons e não de elétrons, marcando um caso raro de interferência quântica somente entre fônons. O efeito só foi observado no específico sistema metal 2D/carbeto de silício utilizado no estudo e está ausente em metais em bloco convencionais. Isso se deve aos caminhos de transição especiais e às configurações de superfície possibilitadas pela camada de metal atomisticamente fina.
O estudo também explorou a possibilidade de usar outros metais 2D, como gálio ou índio, para induzir efeitos similares. Ao ajustar a composição química dessas camadas intercaladas, os pesquisadores poderiam projetar interfaces personalizadas com propriedades quânticas sob medida.
“Comparado a sensores convencionais, nosso método oferece alta sensibilidade sem a necessidade de rótulos químicos especiais ou configurações de dispositivos complicadas”, disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice e autor correspondente do estudo. “Essa abordagem baseada em fônons não apenas avança a detecção molecular, mas também abre possibilidades empolgantes em captação de energia, gestão térmica e tecnologias quânticas, onde controlar vibrações é fundamental.”
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciências (2011839, 2246564, 1943895, 2230400), Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-22-1-0408), Fundação Welch (C-2144) e pela Universidade do Texas do Norte.
