A velocidade operacional dos semicondutores em vários dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos é limitada a vários gigahertz (um bilhão de oscilações por segundo). Isso restringe o limite superior da velocidade operacional da computação. Agora, pesquisadores do MPSD e do Instituto Indiano de Tecnologia em Bombaim explicaram como esses processos podem ser acelerados por meio do uso de ondas de luz e materiais sólidos defeituosos.

As ondas de luz realizam várias centenas de trilhões de oscilações por segundo. Portanto, é natural imaginar o emprego de oscilações leves para conduzir o movimento eletrônico. Ao contrário das técnicas convencionais, ondas de luz não apenas iniciam o movimento eletrônico, mas também o controlam em sua escala de tempo natural, isto é, a escala de tempo de attossegundos (um attosegundo é um quintilionésimo de um segundo). Isso tem o potencial de aumentar a velocidade operacional dos dispositivos e da computação em ordens de magnitude e abre um caminho para a eletrônica petahertz.

Flashes de luz de alta frequência são emitidos quando um sólido é exposto a luz ultracurta intensa. Este processo é conhecido como geração de alta harmônica (HHG). As oscilações do campo elétrico da luz incidente acionam e controlam o movimento dos elétrons nos sólidos, que define a corrente em sólidos. A corrente induzida tem duas contribuições:uma das transições dos elétrons das bandas de valência para as bandas de condução e outra devido ao movimento dos elétrons e lacunas nas suas respectivas bandas de energia.

Nos estudos teóricos e experimentais do processo de HHG em sólidos, é comumente assumido que os sólidos não apresentam defeitos. Contudo, esta suposição subjacente não é verdadeira na prática. Em sólidos reais, os defeitos são inevitáveis ​​devido aos seus processos de crescimento. Eles podem ser de diferentes formas, como vagas, intersticiais, ou impurezas. Atualmente, não se sabe muito sobre como a presença de defeitos pode modificar o processo de HHG e a dinâmica eletrônica associada. Tendo em mente que a engenharia de defeitos tem sido a espinha dorsal da optoeletrônica convencional, portanto, é crucial entender o papel dos defeitos no contexto da eletrônica petahertz e da spintrônica.

Em seu recente trabalho teórico publicado em npj materiais computacionais , uma equipe de pesquisadores do Instituto Indiano de Tecnologia (IIT) em Bombaim, Índia, e o Instituto Max-Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD) em Hamburgo, Alemanha, abordaram uma importante peça de informação que faltava para o esforço da eletrônica petahertz e da spintrônica:como os diferentes tipos de defeitos influenciam o movimento dos elétrons nos sólidos durante o HHG? Para resolver esta questão, uma monocamada bidimensional de nitreto de boro hexagonal (h-BN) com um boro ou um átomo de nitrogênio vazio é exposta a um flash de luz intensa.

O h-BN passa a se comportar como doador ou aceitador de elétrons assim que um átomo de nitrogênio ou boro é removido. Isso resulta em estruturas eletrônicas qualitativamente diferentes e os defeitos de vacância induzida tornam-se polarizados por spin. Em particular, a equipe de pesquisa descobriu que os dois canais de spin são afetados de forma diferente e que os elétrons com spins opostos contribuem de forma diferente para a emissão de alta harmônica. Além disso, a interação elétron-elétron se manifesta de forma díspar em sólidos defeituosos em comparação com o prístino.

O presente trabalho também antecipa a situação em que um átomo de nitrogênio ou boro é substituído por um átomo de carbono (defeito de dopagem) ao invés de remover o átomo completamente do h-BN. Quando um único átomo de boro é substituído por um único átomo de carbono, a dinâmica do elétron assemelha-se àquela em que um átomo de nitrogênio é removido completamente do h-BN. Contrariamente, a situação oposta surge quando um átomo de nitrogênio é substituído por um átomo de carbono:Aqui, a dinâmica se assemelha àquela em que um átomo de boro está completamente separado do sistema.

Este trabalho é um passo significativo para alcançar um melhor controle da spintrônica petahertz impulsionada por ondas de luz usando engenharia de defeitos em sólidos.