Zhe Fei apontou para as linhas verticais claras e escuras na tela do computador. Esta imagem nano, ele explicou, mostra as ondas associadas a uma meia-luz, quasipartícula de meia matéria movendo-se dentro de um semicondutor.

"Estas são ondas como as ondas da água, "disse Fei, professor assistente de física e astronomia da Iowa State University e associado do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA. "É como jogar uma pedra na superfície da água e ver as ondas. Mas essas ondas são exciton-polaritons."

Exciton-polaritons são uma combinação de luz e matéria. Como todas as quasipartículas, eles são criados dentro de um sólido e têm propriedades físicas como energia e momentum. Neste estudo, eles foram lançados com o brilho de um laser na ponta afiada de um sistema de nano-imagem voltado para um floco fino de disseleneto de molibdênio (MoSe2), um semicondutor em camadas que suporta excitons.

Excitons podem se formar quando a luz é absorvida por um semicondutor. Quando excitons se acoplam fortemente com fótons, eles criam exciton-polaritons.

É a primeira vez que os pesquisadores fazem imagens no espaço real de exciton-polaritons. Fei disse que projetos de pesquisa anteriores usaram estudos espectroscópicos para registrar exciton-polaritons como picos de ressonância ou quedas em espectros ópticos. Até anos recentes, a maioria dos estudos observou apenas as quasipartículas em temperaturas extremamente baixas - até cerca de -450 graus Fahrenheit.

Mas Fei e seu grupo de pesquisa trabalharam em temperatura ambiente com o microscópio óptico de varredura de campo próximo no laboratório de seu campus para obter imagens nano-ópticas das quasipartículas.

"Somos os primeiros a mostrar uma imagem dessas quasipartículas e como se propagam, interferir e emitir, "Fei disse.

Os pesquisadores, por exemplo, mediu um comprimento de propagação de mais de 12 mícrons - 12 milionésimos de um metro - para os exciton-polaritons à temperatura ambiente.

Fei disse que a criação de exciton-polaritons à temperatura ambiente e suas características de propagação são significativas para o desenvolvimento de aplicações futuras para as quasipartículas. Um dia, eles poderiam até ser usados ​​para construir circuitos nanofotônicos para substituir os circuitos eletrônicos por energia em nanoescala ou transferência de informações.

Fei disse que os circuitos nanofotônicos com sua grande largura de banda podem ser até 1 milhão de vezes mais rápidos do que os circuitos elétricos atuais.

Uma equipe de pesquisa liderada por Fei relatou recentemente suas descobertas na revista científica Nature Photonics . O primeiro autor do artigo é Fengrui Hu, um associado de pesquisa de pós-doutorado do estado de Iowa em física e astronomia. Outros co-autores são Yilong Luan, um estudante de doutorado do estado de Iowa em física e astronomia; Marie Scott, recém-formado na Universidade de Washington; Jiaqiang Yan e David Mandrus, do Oak Ridge National Laboratory e da University of Tennessee; e Xiaodong Xu da Universidade de Washington.

O trabalho dos pesquisadores foi financiado por fundos do estado de Iowa e do Laboratório Ames para lançar o programa de pesquisa do Fei. O W.M. A Fundação Keck de Los Angeles também apoiou parcialmente a imagem nano-óptica do projeto.

Os pesquisadores também aprenderam que, ao alterar a espessura do semicondutor MoSe2, eles podiam manipular as propriedades dos exciton-polaritons.

Fei, que tem estudado quasipartículas de grafeno e outros materiais 2-D desde seus dias de pós-graduação na Universidade da Califórnia em San Diego, disse que seu trabalho anterior abriu as portas para estudos de exciton-polaritons.

"Precisamos explorar mais a física dos exciton-polaritons e como essas quasipartículas podem ser manipuladas, " ele disse.

Isso pode levar a novos dispositivos, como transistores polariton, Fei disse. E isso pode um dia levar a avanços nas tecnologias fotônicas e quânticas.