As tecnologias futuras baseadas nos princípios da mecânica quântica podem revolucionar a tecnologia da informação. Mas para concretizar os dispositivos de amanhã, os físicos de hoje devem desenvolver plataformas precisas e confiáveis ​​para capturar e manipular partículas da mecânica quântica.

Em um artigo publicado em 25 de fevereiro na revista Natureza , uma equipe de físicos da Universidade de Washington, a Universidade de Hong Kong, o Oak Ridge National Laboratory e a University of Tennessee, relatam que desenvolveram um novo sistema para capturar excitons individuais. Estes são pares de elétrons ligados e suas cargas positivas associadas, conhecidos como buracos, que pode ser produzida quando os semicondutores absorvem luz. Excitons são candidatos promissores para o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas que podem revolucionar os campos da computação e das comunicações.

O time, liderado por Xiaodong Xu, o professor ilustre Boeing da UW de física e ciência dos materiais e engenharia, trabalhou com dois semicondutores 2-D de camada única, disseleneto de molibdênio e disseleneto de tungstênio, que têm arranjos de átomos semelhantes a favo de mel em um único plano. Quando os pesquisadores colocaram esses materiais 2-D juntos, uma pequena torção entre as duas camadas criou uma estrutura de "superrede" conhecida como padrão moiré - um padrão geométrico periódico quando visto de cima. Os pesquisadores descobriram que, a temperaturas apenas alguns graus acima do zero absoluto, este padrão moiré criou uma paisagem texturizada em nível de nanoescala, semelhantes às covinhas na superfície de uma bola de golfe, que pode prender excitons no lugar como ovos em uma caixa de ovos. Seu sistema poderia formar a base de uma nova plataforma experimental para monitorar excitons com precisão e potencialmente desenvolver novas tecnologias quânticas, disse Xu, que também é pesquisador docente do Instituto de Energia Limpa da UW.

Excitons são candidatos interessantes para tecnologias de comunicação e informática porque interagem com fótons - pacotes únicos, ou quanta, da luz - de maneiras que alteram as propriedades do exciton e do fóton. Um exciton pode ser produzido quando um semicondutor absorve um fóton. O exciton também pode mais tarde se transformar novamente em um fóton. Mas quando um exciton é produzido pela primeira vez, ele pode herdar algumas propriedades específicas do fóton individual, como spin. Essas propriedades podem então ser manipuladas por pesquisadores, como mudar a direção do spin com um campo magnético. Quando o exciton novamente se torna um fóton, o fóton retém informações sobre como as propriedades do exciton mudaram ao longo de sua curta vida - normalmente, cerca de cem nanossegundos para esses excitons - no semicondutor.

A fim de utilizar propriedades individuais de "registro de informações" de excitons em qualquer aplicação tecnológica, os pesquisadores precisam de um sistema para capturar excitons únicos. O padrão moiré atende a esse requisito. Sem isso, os minúsculos excitons, que se pensa ter menos de 2 nanômetros de diâmetro, poderia se difundir em qualquer parte da amostra - tornando impossível rastrear excitons individuais e as informações que eles possuem. Embora os cientistas já tivessem desenvolvido abordagens complexas e sensíveis para capturar vários excitons próximos uns dos outros, o padrão moiré desenvolvido pela equipe liderada pela UW é essencialmente uma matriz 2-D formada naturalmente que pode capturar centenas de excitons, se não mais, com cada um atuando como um ponto quântico, um primeiro em física quântica.

Uma característica única e inovadora deste sistema é que as propriedades dessas armadilhas, e assim os excitons, pode ser controlado por uma torção. Quando os pesquisadores mudaram o ângulo de rotação entre os dois semicondutores 2-D diferentes, eles observaram diferentes propriedades ópticas em excitons. Por exemplo, excitons em amostras com ângulos de torção de zero e 60 graus exibiram momentos magnéticos surpreendentemente diferentes, bem como diferentes helicópteros de emissão de luz polarizada. Depois de examinar várias amostras, os pesquisadores foram capazes de identificar essas variações do ângulo de torção como "impressões digitais" de excitons presos em um padrão moiré.

No futuro, os pesquisadores esperam estudar sistematicamente os efeitos de pequenas variações do ângulo de torção, que pode ajustar com precisão o espaçamento entre as armadilhas de exciton - as ondulações da caixa de ovos. Os cientistas poderiam definir o comprimento de onda do padrão moiré grande o suficiente para sondar os excitons isoladamente ou pequeno o suficiente para que os excitons fiquem próximos uns dos outros e possam "falar" uns com os outros. Este nível de precisão inédito pode permitir que os cientistas investiguem as propriedades mecânicas quânticas dos excitons conforme eles interagem, que poderia fomentar o desenvolvimento de tecnologias inovadoras, disse Xu.

"Em princípio, esses potenciais moiré poderiam funcionar como matrizes de pontos quânticos homogêneos, "disse Xu." Esta plataforma quântica artificial é um sistema muito interessante para exercer controle de precisão sobre excitons - com efeitos de interação de engenharia e possíveis propriedades topológicas, o que pode levar a novos tipos de dispositivos baseados na nova física. "

"O futuro é muito promissor, "Xu acrescentou.