Pesquisadores descobriram que a luz – na forma de um laser – pode desencadear uma forma de magnetismo em um material normalmente não magnético. Este magnetismo centra-se no comportamento dos elétrons. Essas partículas subatômicas têm uma propriedade eletrônica chamada "spin", que tem uma aplicação potencial na computação quântica. Os pesquisadores descobriram que os elétrons dentro do material ficaram orientados na mesma direção quando iluminados por fótons de um laser.
O experimento, liderado por cientistas da Universidade de Washington e da Universidade de Hong Kong, foi publicado em 20 de abril na revista Nature .

Ao controlar e alinhar os spins dos elétrons nesse nível de detalhe e precisão, essa plataforma pode ter aplicações no campo da simulação quântica, de acordo com o coautor sênior Xiaodong Xu, professor distinto da Boeing na UW no Departamento de Física e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais.

"Neste sistema, podemos usar fótons essencialmente para controlar as propriedades do 'estado fundamental' - como o magnetismo - de cargas presas no material semicondutor", disse Xu, que também é pesquisador do corpo docente do Clean Energy Institute da UW e do Molecular Instituto de Engenharia e Ciências. "Este é um nível de controle necessário para desenvolver certos tipos de qubits - ou 'bits quânticos' - para computação quântica e outras aplicações."

Xu, cuja equipe de pesquisa liderou os experimentos, liderou o estudo com o coautor sênior Wang Yao, professor de física da Universidade de Hong Kong, cuja equipe trabalhou na teoria que sustenta os resultados. Outros membros do corpo docente da UW envolvidos neste estudo são os coautores Di Xiao, professor de física e de ciência e engenharia de materiais da UW, que também tem uma nomeação conjunta no Pacific Northwest National Laboratory, e Daniel Gamelin, professor de química e diretor da UW do Centro de Materiais de Engenharia Molecular.

A equipe trabalhou com folhas ultrafinas – cada uma com apenas três camadas de átomos de espessura – de disseleneto de tungstênio e dissulfeto de tungstênio. Ambos são materiais semicondutores, assim chamados porque os elétrons se movem através deles a uma taxa entre a de um metal totalmente condutor e um isolante, com usos potenciais em fotônica e células solares. Os pesquisadores empilharam as duas folhas para formar uma "super-rede moiré", uma estrutura empilhada composta de unidades repetidas.

Folhas empilhadas como essas são plataformas poderosas para física quântica e pesquisa de materiais porque a estrutura da super-rede pode manter os excitons no lugar. Excitons são pares ligados de elétrons "excitados" e suas cargas positivas associadas, e os cientistas podem medir como suas propriedades e comportamento mudam em diferentes configurações de super-rede.

Os pesquisadores estavam estudando as propriedades do exciton dentro do material quando fizeram a surpreendente descoberta de que a luz desencadeia uma propriedade magnética chave dentro do material normalmente não magnético. Os fótons fornecidos pelo laser "excitaram" os excitons dentro do caminho do feixe de laser, e esses excitons induziram um tipo de correlação de longo alcance entre outros elétrons, com seus spins todos orientados na mesma direção.

"É como se os excitons dentro da super-rede tivessem começado a 'conversar' com elétrons espacialmente separados", disse Xu. "Então, por meio de excitons, os elétrons estabeleceram interações de troca, formando o que é conhecido como 'estado ordenado' com spins alinhados."

O alinhamento de rotação que os pesquisadores testemunharam dentro da super-rede é uma característica do ferromagnetismo, a forma de magnetismo intrínseca a materiais como o ferro. É normalmente ausente de disseleneto de tungstênio e dissulfeto de tungstênio. Cada unidade de repetição dentro da super-rede moiré está essencialmente agindo como um ponto quântico para "aprisionar" um spin de elétron, disse Xu. Spins de elétrons presos que podem "falar" uns com os outros, como eles podem, foram sugeridos como base para um tipo de qubit, a unidade básica para computadores quânticos que poderiam aproveitar as propriedades únicas da mecânica quântica para computação.

Em um artigo separado publicado em 25 de novembro na Science , Xu e seus colaboradores encontraram novas propriedades magnéticas em superredes moiré formadas por folhas ultrafinas de triiodeto de cromo. Ao contrário do disseleneto de tungstênio e do dissulfeto de tungstênio, o triiodeto de cromo possui propriedades magnéticas intrínsecas, mesmo como uma única folha atômica. Camadas de triiodeto de cromo empilhadas formaram domínios magnéticos alternados:um que é ferromagnético - com spins todos alinhados na mesma direção - e outro que é "antiferromagnético", onde os spins apontam em direções opostas entre as camadas adjacentes da super-rede e essencialmente "se cancelam" ", de acordo com Xu. Essa descoberta também ilumina as relações entre a estrutura de um material e seu magnetismo que podem impulsionar futuros avanços em computação, armazenamento de dados e outros campos.

"Ele mostra as 'surpresas' magnéticas que podem estar escondidas nas super-redes moiré formadas por materiais quânticos 2D", disse Xu. "Você nunca pode ter certeza do que vai encontrar a menos que procure."

Primeiro autor da Natureza papel é Xi Wang, um pesquisador de pós-doutorado UW em física e química. Outros co-autores são Chengxin Xiao, da Universidade de Hong Kong; estudantes de doutorado em física da UW Heonjoon Park e Jiayi Zhu; Chong Wang, pesquisador da UW em ciência e engenharia de materiais; Takashi Taniguchi e Kenji Watanabe no Instituto Nacional de Ciência dos Materiais no Japão; e Jiaqiang Yan no Laboratório Nacional de Oak Ridge. + Explorar mais

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