Os elétrons que fluem através da fronteira entre dois materiais são a base de muitas tecnologias-chave, de memórias flash a baterias e células solares. Agora, os pesquisadores observaram diretamente e cronometraram esses minúsculos movimentos transfronteiriços pela primeira vez, assistindo enquanto os elétrons corriam sete décimos de nanômetro - aproximadamente a largura de sete átomos de hidrogênio - em 100 milionésimos de bilionésimo de segundo.

Liderado por cientistas do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford, a equipe fez essas observações medindo pequenas explosões de ondas eletromagnéticas emitidas pelos elétrons viajantes - um fenômeno descrito há mais de um século pelas equações de Maxwell, mas só agora aplicado a esta importante medição.

"Para fazer algo útil, geralmente você precisa colocar diferentes materiais juntos e transferir carga, calor ou luz entre eles, "disse Eric Yue Ma, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório do SLAC / Stanford Professor Tony Heinz e autor principal de um relatório em Avanços da Ciência .

"Isso abre uma nova maneira de medir como a carga - neste caso, elétrons e lacunas - viaja através da interface abrupta entre dois materiais, "disse ele." Não se aplica apenas a materiais em camadas. Por exemplo, também pode ser usado para observar os elétrons que fluem entre uma superfície sólida e as moléculas que estão ligadas a ela, ou mesmo, em princípio, entre um líquido e um sólido. "

Muito curto, muito rápido - ou eram?

Os materiais usados ​​neste experimento são dichalcogenetos de metais de transição, ou TMDCs - uma classe emergente de materiais semicondutores que consistem em camadas com apenas alguns átomos de espessura. Tem havido uma explosão de interesse em TMDCs nos últimos anos, à medida que os cientistas exploram suas propriedades fundamentais e usos potenciais em nanoeletrônica e fotônica.

Quando dois tipos de TMDC são empilhados em camadas alternadas, elétrons podem fluir de uma camada para a outra de uma forma controlável que as pessoas gostariam de aproveitar para várias aplicações.

Mas até agora, pesquisadores que queriam observar e estudar esse fluxo só conseguiram fazê-lo indiretamente, sondando o material antes e depois dos elétrons terem se movido. As distâncias envolvidas eram muito curtas, e a velocidade do elétron é muito rápida, para os instrumentos de hoje captarem o fluxo de carga diretamente.

Pelo menos foi o que eles pensaram.

Maxwell lidera o caminho

De acordo com um famoso conjunto de equações em homenagem ao físico James Clerk Maxwell, pulsos de corrente emitem ondas eletromagnéticas, que podem variar de ondas de rádio e microondas à luz visível e raios-X. Nesse caso, a equipe percebeu que a jornada de um elétron de uma camada TMDC para outra deve gerar blips de ondas terahertz - que caem entre as microondas e a luz infravermelha no espectro eletromagnético - e que esses blips poderiam ser detectados com as ferramentas de última geração.

"As pessoas provavelmente já haviam pensado nisso antes, mas rejeitou a ideia porque pensaram que não havia maneira de medir a corrente de elétrons viajando por uma distância tão pequena em uma quantidade tão pequena de material, "Ma disse." Mas se você fizer um cálculo do verso do envelope, você vê que se uma corrente for realmente tão rápida, você deve ser capaz de medir a luz emitida, então nós apenas tentamos. "

Cutucada de um laser

Os pesquisadores, todos os investigadores do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC, testou sua ideia em um material TMDC feito de dissulfeto de molibdênio e dissulfeto de tungstênio.

Trabalhando com SLAC / Professor de Stanford Aaron Lindenberg, Ma e seu colega de pós-doutorado Burak Guzelturk atingiram o material com pulsos ultracurtos de luz laser óptica para fazer os elétrons se moverem e registraram as ondas terahertz que emitiam com uma técnica chamada espectroscopia de emissão terahertz no domínio do tempo. Essas medições não só revelaram quão longe e rápido a corrente elétrica viajou entre as camadas, Ma disse, mas também a direção em que viajou. Quando os mesmos dois materiais foram empilhados na ordem inversa, a corrente fluía exatamente da mesma maneira, mas na direção oposta.

“Com a demonstração desta nova técnica, muitos problemas interessantes agora podem ser resolvidos, "disse Heinz, quem liderou a investigação da equipe. "Por exemplo, girar uma das duas camadas de cristal em relação à outra é conhecido por alterar dramaticamente as propriedades eletrônicas e ópticas das camadas combinadas. Este método nos permitirá seguir diretamente o rápido movimento dos elétrons de uma camada para a outra e ver como esse movimento é afetado pelo posicionamento relativo dos átomos. "