Em temperaturas extremamente baixas, a matéria freqüentemente se comporta de maneira diferente do que em condições normais. Em temperaturas apenas alguns graus acima do zero absoluto (-273 graus Celsius), as partículas físicas podem abrir mão de sua independência e se fundir por um curto período em um único objeto no qual todas as partículas compartilham as mesmas propriedades. Essas estruturas são conhecidas como Condensados ​​de Bose-Einstein, e eles representam um estado agregado especial da matéria.

Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelos físicos Dr. Carlos Anton-Solanas e Professor Christian Schneider da Universidade de Oldenburg conseguiu pela primeira vez gerar este estado quântico incomum em complexos de portadores de carga que estão intimamente ligados a partículas de luz e localizados em folhas semicondutoras ultrafinas consistindo em uma única camada de átomos. Como relata a equipe na revista científica Materiais da Natureza , este processo produz luz semelhante à gerada por um laser. Isso significa que o fenômeno poderia ser usado para criar os menores lasers de estado sólido possíveis.

O trabalho é resultado de uma colaboração entre os pesquisadores de Oldenburg e os grupos de pesquisa do Professor Sven Höfling e do Professor Sebastian Klembt da Universidade de Würzburg (Alemanha), Professor Sefaattin Tongay, da Arizona State University (EUA), Professor Alexey Kavokin da Westlake University (China), e o Professor Takashi Taniguchi e o Professor Kenji Watanabe do Instituto Nacional de Ciência de Materiais em Tsukuba (Japão).

O estudo se concentra em quase partículas que consistem em matéria e luz, conhecido como exciton-polaritons - o produto de fortes acoplamentos entre elétrons excitados em sólidos e partículas de luz (fótons). Eles se formam quando os elétrons são estimulados pela luz laser para um estado de alta energia. Depois de um curto período de tempo da ordem de um trilionésimo de segundo, os elétrons voltam ao seu estado fundamental reemitindo partículas de luz.

Quando essas partículas ficam presas entre dois espelhos, eles podem, por sua vez, excitar novos elétrons - um ciclo que se repete até que a partícula de luz escape da armadilha. As partículas híbridas de matéria leve que são criadas nesse processo são chamadas de exciton-polaritons. Eles combinam propriedades interessantes de elétrons e fótons e se comportam de maneira semelhante a certas partículas físicas chamadas bósons. "Dispositivos que podem controlar esses novos estados de matéria leve prometem um salto tecnológico em comparação com os circuitos eletrônicos atuais, "disse o autor principal Anton-Solanas, pesquisador de pós-doutorado no Grupo de Materiais Quânticos do Instituto de Física da Universidade de Oldenburg. Esses circuitos optoeletrônicos, que operam usando luz em vez de corrente elétrica, poderia ser melhor e mais rápido no processamento de informações do que os processadores de hoje.

No novo estudo, a equipe liderada por Anton-Solanas e Schneider analisou exciton-polaritons em cristais ultrafinos que consistem em uma única camada de átomos. Esses cristais bidimensionais costumam ter propriedades físicas incomuns. Por exemplo, o material semicondutor usado aqui, disseleneto de molibdênio, é altamente reativo à luz.

Os pesquisadores construíram folhas de disseleneto de molibdênio com menos de um nanômetro (um bilionésimo de metro) de espessura e prensaram o cristal bidimensional entre duas camadas de outros materiais que refletem partículas de luz como os espelhos. "Esta estrutura funciona como uma gaiola para a luz, "Anton-Solanas explicou. Os físicos chamam isso de" microcavidade ".

Anton-Solanas e seus colegas resfriaram sua configuração a alguns graus acima do zero absoluto e estimularam a formação de exciton-polaritons usando pulsos curtos de luz laser. Acima de uma certa intensidade, eles observaram um aumento repentino nas emissões de luz de sua amostra. Esse, junto com outras evidências, permitiu-lhes concluir que haviam conseguido criar um condensado de Bose-Einstein a partir de exciton-polaritons.

"Em teoria, este fenômeno poderia ser usado para construir fontes de luz coerentes com base em apenas uma única camada de átomos, "disse Anton-Solanas." Isso significaria que criamos o menor laser de estado sólido possível. "Os pesquisadores estão confiantes de que com outros materiais o efeito também poderia ser produzido em temperatura ambiente, de modo que, a longo prazo, também seria adequado para aplicações práticas. Os primeiros experimentos da equipe nessa direção já foram bem-sucedidos.