• Home
  • Química
  • Astronomia
  • Energia
  • Natureza
  • Biologia
  • Física
  • Eletrônicos
  •  science >> Ciência >  >> Física
    Propriedades elétricas únicas em materiais quânticos podem ser controladas usando luz

    Imagem microscópica de vários eletrodos em uma folha de semimetal Weyl, com as setas vermelhas e azuis representando o movimento circular da corrente elétrica induzida pela luz pela luz polarizada à esquerda (azul) ou à direita (direita). Crédito:Zhurun ​​Ji

    Os insights da física quântica permitiram aos engenheiros incorporar componentes usados ​​em placas de circuito, fibras ópticas, e sistemas de controle em novos aplicativos, desde smartphones até microprocessadores avançados. Mas, mesmo com o progresso significativo feito nos últimos anos, os pesquisadores ainda estão procurando maneiras novas e melhores de controlar as propriedades eletrônicas excepcionalmente poderosas dos materiais quânticos.

    Um novo estudo de pesquisadores da Penn descobriu que os semimetais de Weyl, uma classe de materiais quânticos, têm estados quânticos em massa cujas propriedades elétricas podem ser controladas usando luz. O projeto foi liderado por Ritesh Agarwal e o estudante de graduação Zhurun ​​Ji na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas em colaboração com Charles Kane, Eugene Mele, e Andrew M. Rappe na Escola de Artes e Ciências, junto com Zheng Liu da Universidade Tecnológica de Nanyang. Zachariah Addison de Penn, Gerui Liu, Wenjing Liu, e Heng Gao, e Peng Yu de Nanyang, também contribuiu para o trabalho. Suas descobertas foram publicadas em Materiais da Natureza .

    Uma dica dessas propriedades fotogalvânicas não convencionais, ou a capacidade de gerar corrente elétrica usando luz, foi relatado pela primeira vez por Agarwal em silício. Seu grupo foi capaz de controlar o movimento da corrente elétrica alterando a quiralidade, ou a simetria inerente do arranjo dos átomos de silício, na superfície do material.

    "Naquela hora, também estávamos tentando entender as propriedades dos isolantes topológicos, mas não podíamos provar que o que estávamos vendo vinha desses estados de superfície únicos, "Agarwal explica.

    Então, durante a realização de novos experimentos em semimetais de Weyl, onde os estados quânticos únicos existem na maior parte do material, Agarwal e Ji obtiveram resultados que não correspondiam a nenhuma teoria que pudesse explicar como o campo elétrico se movia quando ativado pela luz. Em vez da corrente elétrica fluindo em uma única direção, a corrente se movia ao redor do semimetal em um padrão circular giratório.

    Agarwal e Ji recorreram a Kane e Mele para ajudar a desenvolver uma nova estrutura teórica que pudesse explicar o que estavam vendo. Depois de conduzir um novo, experimentos extremamente completos para eliminar iterativamente todas as outras explicações possíveis, os físicos conseguiram restringir as explicações possíveis a uma única teoria relacionada à estrutura do feixe de luz.

    "Quando você ilumina a matéria, é natural pensar em um feixe de luz como lateralmente uniforme, "diz Mele." O que fez esses experimentos funcionarem é que o feixe tem um limite, e o que fazia a corrente circular tinha a ver com seu comportamento na borda da viga. "

    Usando este novo quadro teórico, e incorporando as percepções do Rappe sobre os níveis de energia do elétron dentro do material, Ji foi capaz de confirmar os movimentos circulares únicos da corrente elétrica. Os cientistas também descobriram que a direção da corrente pode ser controlada mudando a estrutura do feixe de luz, como mudar a direção de sua polarização ou a frequência dos fótons.

    "Anteriormente, quando as pessoas faziam medições optoeletrônicas, eles sempre presumem que a luz é uma onda plana. Mas quebramos essa limitação e demonstramos que não apenas a polarização da luz, mas também a dispersão espacial da luz pode afetar o processo de interação luz-matéria, "diz Ji.

    Este trabalho permite aos pesquisadores não apenas observar melhor os fenômenos quânticos, mas fornece uma maneira de projetar e controlar propriedades quânticas exclusivas simplesmente alterando os padrões do feixe de luz. "A ideia de que a modulação da polarização e da intensidade da luz pode mudar a forma como uma carga elétrica é transportada pode ser uma ideia de design poderosa, "diz Mele.

    O desenvolvimento futuro de materiais "fotônicos" e "spintrônicos" que transferem informações digitalizadas com base no spin de fótons ou elétrons, respectivamente, também é possível graças a esses resultados. Agarwal espera expandir este trabalho para incluir outros padrões de feixe óptico, como "luz torcida, "que poderia ser usado para criar novos materiais de computação quântica que permitem que mais informações sejam codificadas em um único fóton de luz.

    "Com a computação quântica, todas as plataformas são baseadas em luz, então é o fóton que é o portador da informação quântica. Se pudermos configurar nossos detectores em um chip, tudo pode ser integrado, e podemos ler o estado do fóton diretamente, "Agarwal diz.

    Agarwal e Mele enfatizam o esforço "heróico" feito por Ji, incluindo medições de um ano adicional feitas durante a execução de um conjunto inteiramente novo de experimentos que foram cruciais para a interpretação do estudo. "Raramente vi uma aluna de pós-graduação enfrentando esse desafio que foi capaz não apenas de enfrentá-lo, mas também de dominá-lo. Ela teve a iniciativa de fazer algo novo, e ela fez isso, "diz Mele.

    © Ciência https://pt.scienceaq.com