Uma nova abordagem para controlar forças e interações entre átomos e moléculas, como aqueles empregados por lagartixas para escalar superfícies verticais, poderia trazer avanços em novos materiais para o desenvolvimento de fontes de luz quântica.

"Átomos e moléculas muito próximos em nosso ambiente estão em constante interação, atraindo e repelindo uns aos outros, "disse Zubin Jacob, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na Purdue University. "Essas interações permitem, em última análise, uma miríade de fenômenos, como as almofadas pegajosas nos pés de lagartixa, bem como fotossíntese. "

Tipicamente, essas interações ocorrem quando átomos e moléculas estão entre 1 a 10 nanômetros de distância, ou cerca de 1/10, 000º da largura de um cabelo humano.

"Isso inclui as forças de Van der Waals que ocorrem entre átomos e moléculas apenas quando estão muito próximos. O fato de que sempre exigem distâncias de separação extremamente curtas torna-os difíceis de controlar. Isso representa um grande obstáculo para explorá-los para aplicações práticas, " ele disse.

Por breves períodos de tempo, diz-se que os átomos possuem "dipolos flutuantes" porque suas cargas positivas e negativas são momentaneamente separadas. Os dipolos de vários átomos e moléculas às vezes interagem uns com os outros, e essas interações dipolo-dipolo são a base para Van der Waals e outras forças entre átomos e moléculas muito próximos.

Os pesquisadores demonstraram que essas interações dipolo-dipolo são fundamentalmente alteradas dentro dos chamados materiais bidimensionais, como nitreto de boro hexagonal e fósforo preto, materiais com uma espessura consistindo de apenas algumas camadas atômicas. Eles também mostraram que é possível alcançar as interações dipolo-dipolo mesmo quando os átomos e moléculas estão relativamente distantes, com uma separação próxima de um mícron, ou 100 vezes mais distante do que normalmente seria necessário. Essa distância maior representa o potencial de aplicação prática do fenômeno para fontes ópticas.

Os resultados são detalhados em um artigo publicado no início deste ano na revista Nature Communications . O artigo foi escrito pelo estudante de doutorado Cristian L. Cortes e Jacob.

"Nosso principal objetivo era tentar entender se é possível controlar e manipular esse tipo de interação, "Disse Cortes." O que descobrimos foi que, ao projetar cuidadosamente as propriedades dos materiais, é possível alterar significativamente a força e o alcance espacial dessas interações. Descobrimos que os chamados materiais hiperbólicos, na verdade, permitem interações de longo alcance, ao contrário de qualquer outro material convencional. "

As interações dipolo-dipolo também fazem com que muitos átomos e moléculas fluorescentes emitam luz de maneira sincronizada. Normalmente, moléculas fluorescentes emitem luz em flashes aleatórios e espontâneos. Contudo, materiais podem ser projetados para mediar as interações para que a emissão se torne sincronizada, piscando em uníssono, e aumentando drasticamente a produção de luz em um fenômeno chamado super-radiância.

Os materiais bidimensionais hiperbólicos são projetados para induzir essa super-radiância entre os emissores quânticos fluorescentes colocados distantes uns dos outros.

"Quando eles estão interagindo por meio desses materiais, eles podem se prender um ao outro como dois pêndulos sincronizados perfeitamente, "Jacob disse.

Os materiais são considerados "fortemente interagindo" devido ao efeito dipolo-dipolo de longo alcance.

As interações de "longo alcance" podem tornar possíveis novos tipos de fontes de luz que exploram a super-radiância. Outro objetivo desafiador é construir simuladores quânticos usando uma rede de emissores que interagem para imitar "interações de Coulomb" ou "interações de spin" entre elétrons em um material.

Apesar de Nature Communications artigo concentra-se na teoria, os pesquisadores também sugeriram vários métodos experimentais para validar a teoria. Eles estão realizando um experimento usando materiais 2-D hiperbólicos no Centro de Nanotecnologia Birck em Purdue's Discovery Park.