Esquerda:simulação mecânica quântica das energias permitidas para os elétrons antes da irradiação do laser. A região azul significa ausência de estado eletrônico, as brancas e vermelhas simbolizam os níveis de energia eletrônica. Como pode ser visto, na região de -0,2 e 0 elétron-volt (eV) não existem estados de energia que expliquem a natureza semicondutora do TiSe2 . Direita:O mesmo, mas após excitação ultrarrápida. Existem agora estados entre -0,2 e 0 eV e o sistema tornou-se um semimetal. Crédito:Universidade de Trento Os elementos da tabela periódica são divididos em metais, semimetais e não metais. A distinção baseia-se nas suas propriedades químicas e físicas e é determinada, em particular, pelo movimento dos electrões e pela capacidade dos materiais para conduzir energia eléctrica:os metais são excelentes condutores, os semimetais têm condutividade limitada, os não-metais são materiais isolantes, eles não conduzem eletricidade.
Esses estados, no entanto, não são imutáveis. Sabemos que um material isolante pode ser transformado em metal:com a química, introduzindo no material átomos com número diferente de elétrons; ou com pressões muito elevadas, condição que só pode ser criada em laboratórios dedicados e que é difícil de transferir para outras aplicações tecnológicas.
Avanços da ciência publicou os resultados de um estudo conduzido pelo Departamento de Física da Universidade de Trento, pelo Departamento de Física da Universidade da Califórnia Berkeley e pela Divisão de Ciência de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley que propõe uma terceira via para a transformação de um material isolante em um semimetal.
“Observamos que, ao expor um material isolante a pulsos de laser ultrarrápidos (10 femtossegundos, ou 10 milhões de bilionésimos de segundo), é possível alterar o movimento dos elétrons”, diz Alessandra Lanzara, professora de Física da UC Berkeley e autor correspondente do estudo, juntamente com Ph.D. estudante Maxi Huber, principal autor do artigo.
Este resultado só pode ser alcançado através de fotoexcitação acima de um limiar de fluência e com material apropriado. "Usamos disseleneto de titânio (1T-TiSe2 ), material que tive a oportunidade de estudar a fundo ao longo da minha carreira”, afirma o professor Matteo Calandra, da UniTrento, e o pesquisador Giovanni Marini, coautores do estudo.
“O disseleneto de titânio tem características muito especiais:é um material isolante, mas parece um metal. Por exemplo, é brilhante, enquanto os não condutores costumam ser opacos e não refletem a luz.”
Com base nos resultados experimentais e cálculos das duas equipes de pesquisa, a exposição deste material a pulsos de laser ultrarrápidos altera seus estados de energia e o movimento dos elétrons e, acima de um limiar de fluência, transforma-o em um semimetal por um curto período de tempo (apenas menos de 500 femtossegundos).
Há uma diferença em relação à transformação química:a transformação do material não é permanente e assim que a exposição ao laser é interrompida ele retorna ao seu estado original. Este processo multiplica as aplicações possíveis.
“Por exemplo”, explica Calandra, “podemos imaginar dispositivos com propriedades que passam de isolantes a semimetálicas em muito pouco tempo, característica necessária para desenvolver computadores muito mais potentes, capazes de processar cálculos complexos em muito pouco tempo. Hoje, a capacidade computacional baseia-se na utilização de campos eléctricos, mas a possibilidade de utilização da luz abre novos horizontes neste campo de aplicação.”
A UniTrento trabalhou na parte teórica e de simulação do artigo. A Universidade de Berkley concentrou-se na parte experimental da pesquisa.
