Em dispositivos eletrônicos convencionais, eletricidade requer o movimento de elétrons (esferas azuis) e suas contrapartes positivas, chamados de buracos (esferas vermelhas), que se comportam de forma muito semelhante às moléculas de gás em nossa atmosfera. Embora eles se movam rapidamente e colidam com pouca frequência na fase gasosa, elétrons e lacunas podem condensar em gotículas líquidas semelhantes à água líquida em dispositivos compostos de materiais ultrafinos. Crédito:QMO Lab, UC Riverside.
Ao bombardear um sanduíche semicondutor ultrafino com poderosos pulsos de laser, físicos da Universidade da Califórnia, Riverside, criaram o primeiro "líquido eletrônico" à temperatura ambiente.
A conquista abre um caminho para o desenvolvimento dos primeiros dispositivos práticos e eficientes para gerar e detectar luz em comprimentos de onda terahertz - entre luz infravermelha e microondas. Esses dispositivos podem ser usados em aplicações tão diversas como comunicações no espaço sideral, detecção de câncer, e procurando por armas escondidas.
A pesquisa também pode permitir a exploração da física básica da matéria em escalas infinitesimalmente pequenas e ajudar a inaugurar uma era de metamateriais quânticos, cujas estruturas são projetadas em dimensões atômicas.
Os físicos da UCR publicaram suas descobertas online em 4 de fevereiro no jornal Nature Photonics . Eles foram liderados pelo Professor Associado de Física Nathaniel Gabor, que dirige o Laboratório de Optoeletrônica de Materiais Quantum da UCR. Outros co-autores foram os membros do laboratório Trevor Arp e Dennis Pleskot, e Professor Associado de Física e Astronomia Vivek Aji.
Em seus experimentos, os cientistas construíram um sanduíche ultrafino de ditelureto de molibdênio semicondutor entre camadas de grafeno de carbono. A estrutura em camadas era apenas ligeiramente mais espessa do que a largura de uma única molécula de DNA. Eles então bombardearam o material com pulsos de laser super rápidos, medido em quatrilionésimos de segundo.
Ao incorporar técnicas de imagem avançadas com estratégias intensivas de dados desenvolvidas por alunos da UC Riverside que trabalham com o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, um novo tipo de microscópio foi desenvolvido, permitindo a primeira observação de um líquido eletrônico em temperatura ambiente. Crédito:QMO Lab, UC Riverside.
"Normalmente, com semicondutores como o silício, a excitação do laser cria elétrons e seus orifícios carregados positivamente que se difundem e flutuam no material, que é como você define um gás, "Disse Gabor. No entanto, em seus experimentos, os pesquisadores detectaram evidências de condensação no equivalente a um líquido. Tal líquido teria propriedades semelhantes a líquidos comuns, como água, exceto que consistiria, não de moléculas, mas de elétrons e lacunas dentro do semicondutor.
"Estávamos aumentando a quantidade de energia sendo despejada no sistema, e não vimos nada, nada, nada - então, de repente, vimos a formação do que chamamos de 'anel de fotocorrente anômala' no material, "Gabor disse." Percebemos que era um líquido porque cresceu como uma gota, em vez de se comportar como um gás. "
"O que realmente nos surpreendeu, no entanto, foi que aconteceu em temperatura ambiente, "disse ele." Anteriormente, os pesquisadores que criaram esses líquidos com buracos de elétrons só foram capazes de fazê-lo em temperaturas mais frias do que mesmo no espaço profundo. "
As propriedades eletrônicas de tais gotas permitiriam o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos que operam com eficiência sem precedentes na região de terahertz do espectro, Disse Gabor. Os comprimentos de onda Terahertz são mais longos do que as ondas infravermelhas, mas mais curtos do que as microondas, e existe uma "lacuna de terahertz" na tecnologia para a utilização de tais ondas. As ondas Terahertz podem ser usadas para detectar câncer de pele e cáries dentárias devido à sua penetração limitada e capacidade de resolver diferenças de densidade. De forma similar, as ondas poderiam ser usadas para detectar defeitos em produtos como comprimidos de drogas e para descobrir armas escondidas sob as roupas.
Os transmissores e receptores Terahertz também podem ser usados para sistemas de comunicação mais rápidos no espaço sideral. E, o líquido do buraco do elétron pode ser a base para computadores quânticos, que oferecem o potencial de serem muito menores do que os circuitos baseados em silício agora em uso, Disse Gabor.
De forma geral, Gabor disse, a tecnologia usada em seu laboratório pode ser a base para a engenharia de "metamateriais quânticos, "com dimensões em escala atômica que permitem a manipulação precisa dos elétrons para fazer com que eles se comportem de novas maneiras.
Em estudos posteriores das "nanopuddles de buraco de elétron, "os cientistas vão explorar suas propriedades líquidas, como a tensão superficial.
"Agora mesmo, não temos ideia de quão líquido este líquido é, e seria importante descobrir, "Disse Gabor.
Gabor também planeja usar a tecnologia para explorar fenômenos físicos básicos. Por exemplo, resfriar o líquido do buraco do elétron a temperaturas ultrabaixas pode fazer com que ele se transforme em um "fluido quântico" com propriedades físicas exóticas que podem revelar novos princípios fundamentais da matéria.
Em seus experimentos, os pesquisadores usaram duas tecnologias-chave. Para construir os sanduíches ultrafinos de ditelureto de molibdênio e grafeno de carbono, eles usaram uma técnica chamada "estampagem elástica". Neste método, um filme de polímero pegajoso é usado para coletar e empilhar camadas de grafeno e semicondutor com a espessura de átomos.
E para bombear energia para o sanduíche semicondutor e gerar imagens dos efeitos, eles usaram "microscopia de fotorresposta dinâmica multiparâmetro" desenvolvida por Gabor e Arp. Nesta técnica, feixes de pulsos de laser ultrarrápidos são manipulados para fazer a varredura de uma amostra para mapear opticamente a corrente gerada.
