Uma nova técnica universal baseada em luz para controlar a polarização do vale em materiais a granel
Ilustração artística do incidente do campo de trevo no material a granel MoS2 . ICFO. Crédito:ICFO/ Ella Maru Studio Os elétrons dentro de materiais sólidos só podem assumir certos valores de energia. As faixas de energia permitidas são chamadas de “bandas”, e o espaço entre elas, as energias proibidas, é conhecido como “intervalos de bandas”. Ambos juntos constituem a “estrutura de banda” do material, que é uma característica única de cada material específico.
Quando os físicos traçam a estrutura de bandas, geralmente veem que as curvas resultantes se assemelham a montanhas e vales. Na verdade, o termo técnico para um máximo ou mínimo de energia local nas bandas é chamado de "vale", e o campo que estuda e explora como os elétrons no material mudam de um vale para outro é denominado "valleytrônica".
Na eletrônica de semicondutores padrão, a carga elétrica dos elétrons é a propriedade mais utilizada para codificar e manipular informações. Mas essas partículas têm outras propriedades que também poderiam ser usadas para o mesmo propósito, como o vale em que se encontram. Na última década, o principal objetivo da valetrônica tem sido atingir a população de controle do vale (também conhecida como polarização do vale) em materiais.
Tal conquista poderia ser usada para criar portas e bits clássicos e quânticos, algo que poderia realmente impulsionar o desenvolvimento da computação e do processamento de informações quânticas.
As tentativas anteriores apresentaram várias desvantagens. Por exemplo, a luz usada para manipular e alterar a polarização do vale tinha de ser ressonante; isto é, a energia dos seus fótons (as partículas que constituem a luz) tinha que corresponder exatamente à energia do gap desse material específico.
Qualquer pequeno desvio reduzia a eficiência do método, portanto, desde que cada material tivesse seus próprios band gaps, generalizar o mecanismo proposto parecia algo fora de alcance. Além disso, este processo só foi alcançado para estruturas monocamadas (materiais 2D, com apenas um átomo de espessura).
Este requisito dificultou a sua implementação prática, uma vez que as monocamadas são geralmente limitadas em tamanho e qualidade e difíceis de projetar. Crédito:ICFO Agora, os pesquisadores do ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska e Dr. Lenard Vamos, liderados pelo Prof. ICREA Jens Biegert, em colaboração com pesquisadores do Max-Born-Institute, do Instituto Max-Planck para a Ciência da Luz e do Instituto de A Ciencia de Materiales de Madrid encontrou um novo método universal para induzir a polarização do vale em materiais a granel centrossimétricos.
A descoberta, publicada na Nature , abre a possibilidade de controlar e manipular a população do vale sem ser restringido pelo material específico escolhido.
Ao mesmo tempo, o método pode ser utilizado para obter uma caracterização mais detalhada de cristais e materiais 2D.
A polarização em vale em materiais a granel é possível
A aventura começou com o grupo experimental liderado pelo ICREA Prof. no ICFO Jens Biegert, que inicialmente queria produzir experimentalmente a polarização de vale usando seu método particular em materiais 2D, seguindo as linhas do que havia sido teoricamente provado em um artigo teórico anterior de Álvaro Jiménez , Rui Silva e Misha Ivanov.
Para configurar o experimento, a medição inicial foi tentada em MoS2 (um material a granel feito de muitas monocamadas empilhadas juntas) com o resultado surpreendente de que viram a assinatura da polarização do vale. “Quando começamos a trabalhar neste projeto, nossos colaboradores teóricos nos disseram que era impossível mostrar a polarização do vale em materiais a granel”, explica Poborska.
A equipe teórica também observa como, no início, seu modelo era adequado apenas para camadas 2D únicas. “À primeira vista, parecia que adicionar mais camadas dificultaria a seleção de vales específicos na amostra. Porém, após os primeiros resultados experimentais, ajustamos a simulação para materiais a granel, e validou as observações surpreendentemente bem. tente encaixar em qualquer coisa. É exatamente como saiu”, acrescenta o professor Misha Ivanov, o líder teórico. Esquema do efeito de polarização de vale, onde o campo de trevo incidente (em roxo) causa polarização de vale no material a granel MoS2 . Este efeito pode ser controlado girando o campo em relação ao material. Crédito:ICFO No final, "descobriu-se que sim, é possível polarizar em vale materiais a granel que são simétricos centrais devido às condições de simetria", conclui Poborska.
Como explica Igor Tyulnev, primeiro autor do artigo, “nosso experimento consistiu em criar um pulso de luz intenso com uma polarização que se ajustasse a essa estrutura interna. O resultado foi o chamado “campo de trevo”, cuja simetria correspondia ao sub-triângulo. redes que constituem materiais hexagonais heteroatômicos."
Este campo forte de simetria correspondente quebra a simetria de espaço e tempo dentro do material e, mais importante, a configuração resultante depende da orientação do campo do trevo em relação ao material. Portanto, “simplesmente girando o campo de luz incidente, fomos capazes de modular a polarização do vale”, conclui Tyulnev, uma grande conquista na área e uma confirmação de uma nova técnica universal que pode controlar e manipular os vales de elétrons em materiais a granel.
O processo experimental
O experimento pode ser explicado em três etapas principais:Primeiro, a síntese do campo do trevo; depois a sua caracterização; e, finalmente, a produção real da polarização do vale.
Os pesquisadores enfatizam a precisão incrivelmente alta que o processo de caracterização exigia, já que o campo do trevo é composto não apenas de um, mas de dois campos ópticos combinados de forma coerente. Um deles deveria ser polarizado circularmente em uma direção, e o outro precisava ser o segundo harmônico do primeiro feixe, polarizado com lateralidade oposta. Eles sobrepuseram esses campos uns aos outros de modo que a polarização total no tempo traçasse a forma desejada do trevo.
Três anos após as primeiras tentativas experimentais, Igor Tyulnev está emocionado com a recente Nature publicação. A aparição em revista tão prestigiada reconhece o novo método universal, que, como afirma, “pode ser usado não apenas para controlar as propriedades de uma ampla variedade de espécies químicas, mas também para caracterizar cristais e materiais 2D”.
Como observa o Prof. ICREA do ICFO Jens Biegert:"Nosso método pode fornecer um ingrediente importante para projetar materiais energeticamente eficientes para armazenamento eficiente de informações e comutação rápida. Isso atende à necessidade urgente de dispositivos de baixo consumo de energia e maior velocidade computacional. Não posso prometer que o que fornecemos é A solução, mas é provavelmente uma solução para este grande desafio."
