Uma nova ferramenta que usa luz para mapear as estruturas eletrônicas dos cristais pode revelar as capacidades dos materiais quânticos emergentes e abrir caminho para tecnologias de energia avançadas e computadores quânticos, de acordo com pesquisadores da Universidade de Michigan, University of Regensburg e University of Marburg.

Um artigo sobre o trabalho é publicado em Ciência .

As aplicações incluem luzes LED, células solares e fotossíntese artificial.

"Os materiais quânticos podem ter um impacto muito além da computação quântica, "disse Mackillo Kira, professor de engenharia elétrica e ciência da computação na Universidade de Michigan, que liderou o lado teórico do novo estudo. "Se você otimizar as propriedades quânticas da maneira certa, você pode obter 100% de eficiência para absorção de luz. "

As células solares à base de silício já estão se tornando a forma mais barata de eletricidade, embora sua eficiência de conversão de luz solar em eletricidade seja bastante baixa, Cerca de 30%. Semicondutores "2-D" emergentes, que consistem em uma única camada de cristal, poderia fazer isso muito melhor - potencialmente usando até 100% da luz solar. Eles também podem elevar a computação quântica à temperatura ambiente a partir das máquinas quase zero absoluto demonstradas até agora.

"Novos materiais quânticos estão sendo descobertos em um ritmo mais rápido do que nunca, "disse Rupert Huber, professor de física da Universidade de Regensburg, na Alemanha, quem liderou o trabalho experimental. "Simplesmente empilhando essas camadas uma sobre a outra sob ângulos de torção variáveis, e com uma ampla seleção de materiais, os cientistas agora podem criar sólidos artificiais com propriedades verdadeiramente sem precedentes. "

A capacidade de mapear essas propriedades até os átomos pode ajudar a agilizar o processo de projeto de materiais com as estruturas quânticas corretas. Mas esses materiais ultrafinos são muito menores e mais confusos do que os cristais anteriores, e os métodos de análise antigos não funcionam. Agora, Os materiais 2-D podem ser medidos com o novo método baseado em laser à temperatura e pressão ambiente.

As operações mensuráveis ​​incluem processos que são essenciais para células solares, lasers e computação quântica opticamente controlada. Essencialmente, elétrons estouram entre um "estado fundamental, "em que eles não podem viajar, e estados na "banda de condução do semicondutor, "em que eles são livres para se mover através do espaço. Eles fazem isso absorvendo e emitindo luz.

O método de mapeamento quântico usa um pulso de luz laser vermelha de 100 femtossegundos (100 quatrilionésimos de segundo) para liberar elétrons do estado fundamental e colocá-los na banda de condução. Em seguida, os elétrons são atingidos por um segundo pulso de luz infravermelha. Isso os empurra para que oscilem para cima e para baixo em um "vale" de energia na banda de condução, um pouco como skatistas em um halfpipe.

A equipe usa a natureza de onda / partícula dupla dos elétrons para criar um padrão de onda estacionária que se parece com um pente. Eles descobriram que quando o pico desse pente de elétrons se sobrepõe à estrutura de banda do material - sua estrutura quântica - os elétrons emitem luz intensamente. Essa poderosa emissão de luz junto, com a largura estreita das linhas do pente, ajudou a criar uma imagem tão nítida que os pesquisadores a chamam de super-resolução.

Ao combinar essas informações precisas de localização com a frequência da luz, a equipe foi capaz de mapear a estrutura de banda do disseleneto de tungstênio semicondutor 2-D. Não apenas isso, mas também podiam obter uma leitura do momento angular orbital de cada elétron através da forma como a frente da onda de luz se retorcia no espaço. Manipulando o momento angular orbital de um elétron, conhecido também como pseudospin, é um caminho promissor para armazenar e processar informações quânticas.

Em disseleneto de tungstênio, o momento angular orbital identifica qual dos dois "vales" diferentes um elétron ocupa. As mensagens que os elétrons enviam podem mostrar aos pesquisadores não apenas em qual vale o elétron estava, mas também como é a paisagem desse vale e a que distância os vales estão, quais são os elementos-chave necessários para projetar novos dispositivos quânticos baseados em semicondutores.

Por exemplo, quando a equipe usou o laser para empurrar os elétrons pela lateral de um vale até que caíssem no outro, os elétrons emitiram luz naquele ponto de queda, também. Essa luz dá pistas sobre as profundezas dos vales e a altura da crista entre eles. Com este tipo de informação, os pesquisadores podem descobrir como o material se sairia para uma variedade de propósitos.

O artigo é intitulado, "Tomografia de ondas de luz de super resolução de bandas eletrônicas em materiais quânticos."