Certos materiais têm propriedades desejáveis ​​que estão ocultas e, tal como usaríamos uma lanterna para ver no escuro, os cientistas podem usar a luz para descobrir essas propriedades.



Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego usaram uma técnica óptica avançada para aprender mais sobre um material quântico chamado Ta₂ NiSe₅ (TNS). O trabalho deles aparece em Nature Materials .

Os materiais podem ser perturbados através de diferentes estímulos externos, muitas vezes com mudanças de temperatura ou pressão; no entanto, como a luz é a coisa mais rápida do universo, os materiais responderão muito rapidamente aos estímulos ópticos, revelando propriedades que de outra forma permaneceriam ocultas.

"Em essência, direcionamos um laser para um material e é como uma fotografia stop-action, onde podemos seguir gradativamente uma certa propriedade desse material", disse o professor de física Richard Averitt, que liderou a pesquisa e é um dos autores do artigo. "Ao observar como as partículas constituintes se movem nesse sistema, podemos descobrir essas propriedades que são realmente difíceis de encontrar de outra forma."

O experimento foi conduzido pelo autor principal, Sheikh Rubaiat Ul Haque, que se formou na UC San Diego em 2023 e agora é pós-doutorado na Universidade de Stanford. Ele, junto com Yuan Zhang, outro estudante de pós-graduação no laboratório de Averitt, aprimorou uma técnica chamada espectroscopia no domínio do tempo terahertz. Esta técnica permite aos cientistas medir as propriedades de um material numa gama de frequências, e as melhorias de Haque permitiram-lhes acesso a uma gama mais ampla de frequências.

O trabalho foi baseado em uma teoria criada por outro autor do artigo, Eugene Demler, professor da ETH Zürich. Demler e seu aluno de pós-graduação Marios Michael desenvolveram a ideia de que quando certos materiais quânticos são excitados pela luz, eles podem se transformar em um meio que amplifica a frequência da luz em terahertz. Isso levou Haque e colegas a examinarem atentamente as propriedades ópticas do TNS.

Quando um elétron é excitado a um nível superior por um fóton, ele deixa um buraco. Se o elétron e o buraco estiverem ligados, um exciton é criado. Os excitons também podem formar um condensado – um estado que ocorre quando as partículas se juntam e se comportam como uma entidade única.

Usando a técnica de Haque, apoiada pela teoria de Demler e usando cálculos funcionais de densidade feitos pelo grupo de Angel Rubio no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, a equipe foi capaz de observar a amplificação anômala da luz terahertz, que revelou algumas das propriedades ocultas do Condensado de exciton TNS.

Os condensados ​​são um estado quântico bem definido e o uso desta técnica espectroscópica poderia permitir que algumas de suas propriedades quânticas fossem impressas na luz. Isto pode ter implicações no campo emergente de fontes de luz emaranhadas (onde múltiplas fontes de luz têm propriedades interligadas) utilizando materiais quânticos.

“Acho que é uma área aberta”, afirmou Haque. "A teoria de Demler pode ser aplicada a um conjunto de outros materiais com propriedades ópticas não lineares. Com esta técnica, podemos descobrir novos fenómenos induzidos pela luz que não foram explorados antes."

Mais informações: Sheikh Rubaiat Ul Haque et al, Amplificação paramétrica de Terahertz como repórter da dinâmica do condensado de excitons, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01755-2
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade da Califórnia - San Diego