Quando organizados da maneira certa, materiais bidimensionais podem exibir efeitos quânticos incomuns e valiosos, como supercondutividade e tipos exóticos de magnetismo. Compreender por que esses efeitos surgem e como controlá-los continua sendo um dos maiores desafios para físicos e engenheiros. Um novo estudo publicado na Nature Physics revelou uma propriedade anteriormente não vista que pode explicar como essas fases quânticas misteriosas se formam e evoluem.
Usando um novo método de espectroscopia de terahertz (THz), os pesquisadores descobriram que pilhas finas de materiais 2D — comumente utilizados em laboratórios em todo o mundo — podem criar naturalmente o que são chamados 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 entender fases exóticas da matéria e, finalmente, aproveitá-las para futuras tecnologias quânticas”, disse James McIver, professor assistente de física na Columbia e autor principal do artigo.
O trabalho tem suas origens em Hamburgo, onde McIver liderou um grupo de pesquisa no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD). O instituto faz parte do Centro Max Planck-Nova Iorque sobre Fenômenos Quânticos Fora do Equilíbrio, uma colaboração entre o MPSD, Columbia, o Instituto Flatiron e a Universidade de Cornell. Os pesquisadores do Centro estudam como sistemas físicos estáveis respondem quando empurrados para longe 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 esclarecer o comportamento oculto de seus elétrons, revelando detalhes que de outra forma permaneceriam ocultos”, disse Gunda Kipp, estudante de doutorado no 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 do que um fio de cabelo humano.
Para superar essa desproporção de escala, os pesquisadores desenvolveram um espectroscópio em tamanho de chip que comprime a luz THz — a faixa onde muitos efeitos quânticos ocorrem — de cerca de 1 milímetro para apenas 3 micrômetros. Esse design compacto tornou possível observar diretamente como os elétrons se movem dentro de materiais 2D. Eles primeiro testaram sua abordagem usando grafeno, uma forma bem conhecida de carbono, para medir sua condutividade óptica.
O que eles descobriram foi inesperado: ondas estacionárias distintas.
“A luz pode se acoplar aos elétrons para formar quasipartículas híbridas luz-matéria. Essas quasipartículas se movem como ondas e, sob certas condições, podem ficar confinadas, assim como a onda estacionária em uma corda de guitarra que produz uma nota distinta,” explicou Hope Bretscher, bolsista pós-doutorado no MPSD e co-primeira autora.
Em uma guitarra, as extremidades fixas da corda definem onde a onda pode se formar. Pressionar um dedo na corda encurta a onda, mudando o tom 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 nem ser necessários.
“Descobrimos que as bordas do próprio material já atuam como espelhos,” disse Kipp. Com seu espectroscópio THz, eles observaram que correntes de elétrons excitados se refletem nas bordas para formar um tipo de quasipartícula híbrida luz-matéria chamada plasmon polaritônio.
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 forma intensa. “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 bolsista pós-doutorado do MPSD, Marios Michael, desenvolvemos uma teoria analítica que precisava apenas de um punhado de parâmetros geométricos da amostra para combinar 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 futuras amostras para obter propriedades específicas. Por exemplo, ao rastrear ressonâncias como funções de densidade de portadores, temperatura ou campo magnético, podemos descobrir os mecanismos que impulsionam diferentes fases quânticas.”
Enquanto este estudo se concentrou em plasmonos, o novo espectroscópio THz em escala de chip pode detectar outros tipos de quasipartículas oscilando em muitos materiais 2D diferentes. A equipe já está testando novas amostras tanto em Hamburgo quanto em Nova Iorque.
“Todo este projeto foi uma descoberta um tanto acidental. Não esperávamos ver esses efeitos de cavidade, mas estamos empolgados em usá-los para manipular fenômenos em materiais quânticos daqui para frente,” disse Bretscher. “E agora que temos uma técnica para vê-los, estamos intrigados em aprender como eles podem estar afetando outros materiais e fases.”
