Uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) encontrou a primeira evidência de que um movimento de agitação na estrutura de um material atomicamente fino (2-D) possui uma rotação circular que ocorre naturalmente.

Essa rotação pode se tornar o bloco de construção de uma nova forma de tecnologia da informação, e para o projeto de rotores em escala molecular para acionar motores e máquinas microscópicas.

O material de monocamada, disseleneto de tungstênio (WSe ₂ ), já é bem conhecido por sua habilidade incomum de sustentar propriedades eletrônicas especiais que são muito mais fugazes em outros materiais.

É considerado um candidato promissor para uma forma procurada de armazenamento de dados conhecida como Valleytronics, por exemplo, em que o momento e o movimento ondulatório dos elétrons em um material podem ser classificados em "vales" opostos na estrutura eletrônica de um material, com cada um desses vales representando uns e zeros em dados binários convencionais.

A eletrônica moderna normalmente depende de manipulações da carga dos elétrons para transportar e armazenar informações, embora, à medida que os eletrônicos estão cada vez mais miniaturizados, eles estão mais sujeitos a problemas associados ao acúmulo de calor e vazamentos elétricos.

O último estudo, publicado online esta semana no jornal Ciência , fornece um caminho possível para superar esses problemas. Ele relata que alguns dos fonons do material, um termo que descreve vibrações coletivas em cristais atômicos, estão girando naturalmente em uma determinada direção.

Essa propriedade é conhecida como quiralidade - semelhante à lateralidade de uma pessoa, em que a mão esquerda e a direita são uma imagem espelhada uma da outra, mas não são idênticas. Controlar a direção dessa rotação forneceria um mecanismo estável para transportar e armazenar informações.

"Fônons em sólidos são geralmente considerados como o movimento linear coletivo de átomos, "disse Xiang Zhang, o autor correspondente do estudo e cientista sênior da Divisão de Ciência de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e professor da UC Berkeley. "Nosso experimento descobriu um novo tipo de fônons quirais, onde os átomos se movem em círculos em um cristal de monocamada atômica de disseleneto de tungstênio."

Hanyu Zhu, o principal autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado no grupo de Zhang, disse, "Uma das maiores vantagens do fônon quiral é que a rotação é travada com o momento da partícula e não é facilmente perturbada."

No modo fonon estudado, os átomos de selênio parecem girar coletivamente no sentido horário, enquanto os átomos de tungstênio não mostraram movimento. Os pesquisadores prepararam um "sanduíche" com quatro folhas de amostras WSe2 de monocamada de tamanho centimétrico colocadas entre finos cristais de safira. Eles sincronizaram lasers ultrarrápidos para registrar os movimentos dependentes do tempo.

As duas fontes de laser convergiram em um ponto nas amostras medindo apenas 70 milionésimos de um metro de diâmetro. Um dos lasers foi alternado com precisão entre dois modos de sintonia diferentes para detectar a diferença da atividade do fônon quiral esquerdo e direito.

A chamada bomba de laser produzida visível, pulsos de luz vermelha que excitaram as amostras, e um laser de sonda produziu pulsos de infravermelho médio que seguiram o primeiro pulso da bomba em um trilionésimo de segundo. Cerca de um fóton infravermelho médio em cada 100 milhões é absorvido pelo WSe2 e convertido em um fônon quiral.

Os pesquisadores então capturaram a luminescência de alta energia da amostra, uma assinatura deste raro evento de absorção. Através desta técnica, conhecido como espectroscopia infravermelha transitória, os pesquisadores não apenas confirmaram a existência de um fônon quiral, mas também obtiveram com precisão sua frequência de rotação.

Até aqui, o processo produz apenas um pequeno número de fônons quirais. Uma próxima etapa da pesquisa será gerar um número maior de fônons rotativos, e para saber se agitações vigorosas no cristal podem ser usadas para inverter o spin dos elétrons ou para alterar significativamente as propriedades de vale do material. O spin é uma propriedade inerente de um elétron que pode ser pensado como a agulha da bússola - se ele pudesse ser virado para apontar para o norte ou para o sul, poderia ser usado para transmitir informações em uma nova forma de eletrônica chamada spintrônica.

"O potencial controle de elétrons e spins baseado em fônons para aplicações de dispositivos é muito emocionante e acessível, "Zhu disse." Já provamos que os fonons são capazes de mudar o vale eletrônico. Além disso, este trabalho permite a possibilidade de usar os átomos em rotação como pequenos ímãs para guiar a orientação do spin. "

As propriedades quirais encontradas no estudo provavelmente existem em uma ampla gama de materiais 2-D com base em um padrão semelhante em sua estrutura atômica, Zhu também observou, acrescentando que o estudo pode guiar investigações teóricas de interações elétron-fônon e o design de materiais para melhorar os efeitos baseados em fônons.

"O mesmo princípio funciona em todas as estruturas periódicas 2-D com simetria tripla e assimetria de inversão", disse Zhu. "O mesmo princípio cobre uma enorme família de materiais naturais, e há possibilidades quase infinitas para a criação de rotores em escala molecular. "