Mais rápido, armazenamento de dados e sistemas lógicos de computador mais eficientes podem estar no horizonte, graças a uma nova maneira de ajustar os níveis de energia eletrônica em filmes bidimensionais de cristal, descoberto por pesquisadores do MIT.

A descoberta pode, em última análise, abrir caminho para o desenvolvimento dos chamados dispositivos "valleytronic", que aproveita a maneira como os elétrons se reúnem em torno de dois estados de energia iguais, conhecido como vales.

Os engenheiros já avisaram por algum tempo que estamos atingindo o limite de quão pequenos podemos construir transistores eletrônicos convencionais, que são baseados na carga elétrica dos elétrons.

Como resultado, pesquisadores têm investigado a utilidade de uma propriedade dos elétrons conhecida como spin, para armazenar e manipular dados; essas tecnologias são conhecidas como spintrônica.

Mas, além de sua carga e rotação, elétrons em materiais também têm outro "grau de liberdade, "conhecido como índice de vale. É assim chamado porque traçar a energia dos elétrons em relação ao seu momento resulta em um gráfico que consiste em uma curva com dois vales, que são povoados por elétrons à medida que se movem através de um material.

Aproveitar esse grau de liberdade pode permitir que as informações sejam armazenadas e processadas em alguns materiais, populando seletivamente os dois vales com elétrons.

Contudo, o desenvolvimento de tais dispositivos Valleytronic requer um sistema para controlar seletivamente os elétrons dentro dos dois vales, que até agora tem se mostrado muito difícil de alcançar.

Agora, em um artigo publicado hoje na revista Ciência , pesquisadores liderados por Nuh Gedik, um professor associado de física no MIT, descrevem uma nova maneira de usar luz laser para controlar os elétrons em ambos os vales de forma independente, dentro de cristais atomicamente finos de dissulfeto de tungstênio.

"Os dois vales estão exatamente no mesmo nível de energia, o que não é necessariamente a melhor coisa para aplicativos, porque você deseja ajustá-los, para mudar a energia ligeiramente para que os elétrons se movam [do estado de alta] para o estado de energia inferior, "Gedik diz.

Embora isso possa ser alcançado pela aplicação de um campo magnético, mesmo ímãs de laboratório muito poderosos com uma força de 10 tesla são apenas capazes de alterar o nível de energia do vale em cerca de 2 milieletronvolts (meV).

Os pesquisadores já haviam mostrado que, ao direcionar um pulso de laser ultrarrápido, sintonizado em uma frequência ligeiramente abaixo da ressonância do material, eles foram capazes de deslocar a energia de um dos vales por meio de um efeito chamado de "efeito Stark óptico, "enquanto deixavam o outro vale praticamente inalterado. Dessa forma, eles conseguiram uma mudança no nível de energia de até 20 meV.

"A luz e os elétrons dentro do material formam um tipo de estado híbrido, o que ajuda a aumentar os níveis de energia, "Gedik diz.

No último experimento, os pesquisadores descobriram que, ao ajustar a frequência do laser para ainda mais abaixo da ressonância, e aumentando sua intensidade, eles foram capazes de mudar simultaneamente os níveis de energia de ambos os vales e revelar um fenômeno físico muito raro.

Enquanto um vale ainda muda como resultado da mudança óptica Stark como antes, o outro vale muda através de um mecanismo diferente, conhecido como a "mudança Bloch-Siegert, "de acordo com o aluno de doutorado em física do MIT Edbert Jarvis Sie, o autor principal do artigo.

Embora a mudança Bloch-Siegert tenha sido prevista pela primeira vez em 1940, e logo depois ajudou a inspirar Willis Lamb em sua descoberta ganhadora do Prêmio Nobel de 1955 da mudança de Lamb nos átomos de hidrogênio, Continua sendo um desafio considerável observá-lo experimentalmente em sólidos.

De fato, além dos chamados átomos artificiais, o novo mecanismo nunca foi observado em sólidos até agora, porque as mudanças resultantes eram muito pequenas, Sie diz. O experimento realizado no Laboratório Gedik produziu uma mudança Bloch-Siegert de 10 meV, que é 1, 000 vezes maior do que o visto anteriormente.

O que mais, os dois efeitos - o deslocamento de Bloch-Siegert e o deslocamento óptico de Stark - tendiam anteriormente a ocorrer na mesma transição óptica, o que significa que os pesquisadores tiveram dificuldade em desemaranhar os dois mecanismos, Sie diz.

“Em nosso trabalho, podemos separar os dois mecanismos de forma muito natural, porque enquanto um vale exibe a mudança ótica Stark, o outro vale exibe a mudança Bloch-Siegert, "Sie diz." Isso pode funcionar muito bem neste material porque os dois mecanismos têm uma relação semelhante com os dois vales. Eles estão relacionados pelo que é chamado de simetria de reversão do tempo. "

Isso deve permitir um controle aprimorado sobre as propriedades Valleytronic em materiais bidimensionais, Nuh diz. "Isso poderia lhe dar mais liberdade para sintonizar os vales eletrônicos, " ele diz.