p Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia, Berkeley aprendeu a controlar as vias quânticas determinando como a luz se espalha no grafeno. O espalhamento controlado fornece uma nova ferramenta para o estudo deste material único - o grafeno é uma única folha de carbono com apenas um átomo de espessura - e pode apontar para aplicações práticas para controlar a luz e os estados eletrônicos em nanodispositivos de grafeno. p A equipe de pesquisa, liderado por Feng Wang da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, fez a primeira observação direta, no grafeno, da chamada interferência quântica no espalhamento Raman. O espalhamento Raman é uma forma de espalhamento de luz "inelástica". Ao contrário do espalhamento elástico, em que a luz espalhada tem a mesma cor (a mesma energia) que a luz incidente, a luz difundida inelasticamente perde energia ou a ganha.

p O espalhamento Raman ocorre no grafeno e outros cristais quando um fóton chega, uma partícula de luz, excita um elétron, que por sua vez gera um fônon junto com um fóton de baixa energia. Fônons são vibrações da estrutura cristalina, que também são tratados como partículas pela mecânica quântica.

p As partículas quânticas são tanto ondas quanto partículas, para que possam interferir uns com os outros e até com eles próprios. Os pesquisadores mostraram que a emissão de luz pode ser controlada controlando essas vias de interferência. Eles apresentam seus resultados em uma próxima edição da revista. Natureza , agora disponível na publicação online antecipada.

p Manipulando a interferência quântica, na vida e no laboratório

p "Um exemplo familiar de interferência quântica na vida cotidiana é o revestimento anti-reflexo em óculos, "diz Wang, que também é professor assistente de física na UC Berkeley. "Um fóton pode seguir dois caminhos, dispersão do revestimento ou do vidro. Por causa de sua natureza quântica, ele realmente segue ambos, e o revestimento é projetado de forma que as duas vias interfiram uma na outra e cancelem a luz que, de outra forma, causaria reflexão. "

p Wang acrescenta, "A marca registrada da mecânica quântica é que, se caminhos diferentes não são distinguíveis, eles devem sempre interferir um com o outro. Podemos manipular a interferência entre as vias quânticas que são responsáveis ​​pelo espalhamento Raman no grafeno por causa da estrutura eletrônica peculiar do grafeno. "

p Na dispersão de Raman, as vias quânticas são excitações eletrônicas, que são estimulados opticamente pelos fótons que chegam. Essas excitações só podem acontecer quando o estado eletrônico inicial é preenchido (por uma partícula carregada, como um elétron), e o estado eletrônico final está vazio.

p A mecânica quântica descreve os elétrons que preenchem os estados eletrônicos disponíveis de um material da mesma forma que a água preenche o espaço em um vidro:a "superfície da água" é chamada de nível de Fermi. Todos os estados eletrônicos abaixo dele são preenchidos e todos os estados acima estão vazios. Os estados de preenchimento podem ser reduzidos "dopando" o material para diminuir a energia de Fermi. À medida que a energia Fermi é reduzida, os estados eletrônicos logo acima são removidos, e as vias de excitação originadas desses estados também são removidas.

p "Fomos capazes de controlar as vias de excitação no grafeno por dopagem eletrostática - aplicando voltagem para reduzir a energia de Fermi e eliminar estados selecionados, "Wang diz." Uma coisa surpreendente sobre o grafeno é que sua energia Fermi pode ser alterada em ordens de magnitude maiores do que os materiais convencionais. Em última análise, isso se deve à bidimensionalidade do grafeno e às suas bandas eletrônicas incomuns. "

p A energia de Fermi do grafeno não dopado está localizada em um único ponto, onde suas bandas preenchidas eletronicamente, representado graficamente como um cone apontando para cima, encontrar suas bandas eletronicamente vazias, representado como um cone apontando para baixo. Para mover a energia de Fermi de forma apreciável, é necessário um forte campo elétrico.

p Rachel Segalman, membro da equipe, professor associado de engenharia química na UC Berkeley e cientista da divisão de ciências de materiais do Berkeley Lab, forneceu o gel iônico que foi a chave para o dispositivo experimental. Um gel iônico confina um líquido fortemente condutor em uma matriz polimérica. O gel foi colocado sobre um floco de grafeno, crescido em cobre e transferido para um substrato isolante. A carga no grafeno foi ajustada pela tensão de porta no gel de íon.

p "Então, aumentando a tensão, reduzimos a energia Fermi do grafeno, se livrar sequencialmente dos elétrons de alta energia, "diz Wang. Eliminando elétrons, das energias mais altas para baixo, efetivamente eliminou os caminhos que, quando colidido por fótons que chegam, poderia absorvê-los e então emitir fótons espalhados por Raman.

p O que vem da interferência, construtivo e destrutivo

p "As pessoas sempre souberam que a interferência quântica é importante no espalhamento Raman, mas tem sido dificil de ver, "diz Wang." Aqui é realmente fácil ver a contribuição de cada estado. "

p A remoção das vias quânticas uma a uma altera as maneiras como elas podem interferir. As mudanças são visíveis na intensidade de espalhamento Raman emitida pelo dispositivo experimental quando ele foi iluminado por um feixe de luz laser infravermelho próximo. Embora o brilho da dispersão seja muito mais fraco do que a excitação do infravermelho próximo, mudanças em seu brilho podem ser medidas com precisão.

p "Na física clássica, você esperaria ver a luz dispersa ficar mais fraca conforme você remove as vias de excitação, "diz Wang, mas os resultados do experimentador foram uma surpresa para todos. "Em vez disso, o sinal ficou mais forte!"

p A luz espalhada ficou mais brilhante à medida que as vias de excitação foram reduzidas - o que Wang chama de "uma assinatura canônica de interferência quântica destrutiva".

p Por que "destrutivamente?" Porque fótons e fótons dispersos podem ser excitados por muitos diferentes, vias não distinguíveis que interferem umas nas outras, bloquear um caminho pode diminuir ou aumentar a dispersão de luz, dependendo se esse caminho estava interferindo construtiva ou destrutivamente com os outros. No grafeno, as vias de energia inferior e superior interferiram destrutivamente. A remoção de um deles aumentou o brilho da emissão.

p "O que demonstramos é a natureza de interferência quântica do espalhamento Raman, "Diz Wang." Sempre esteve lá, mas era tão difícil ver que muitas vezes era esquecido. "

p Em uma segunda observação, os pesquisadores encontraram outro exemplo inesperado de dispersão inelástica de luz. Este, "luminescência de elétrons quentes, "não resultou de vias quânticas bloqueadas, Contudo.

p Quando uma forte tensão é aplicada e a energia Fermi do grafeno é reduzida, estados de elétrons de alta energia são esvaziados da banda preenchida. Elétrons que são altamente excitados pelos fótons que chegam, o suficiente para pular para a banda não preenchida, assim, encontre chances adicionais de voltar aos estados agora vagos no que era a faixa preenchida. Mas esses elétrons "quentes" só podem cair para trás se emitirem um fóton com a freqüência certa. A luminescência de elétrons quentes observada pelos pesquisadores tem uma intensidade integrada cem vezes mais forte do que o espalhamento Raman.

p A estrada tomada

p O poeta Robert Frost escreveu sobre encontrar duas estradas que divergiam em uma floresta, e lamentou não poder viajar os dois. Os processos quânticos não apenas podem tomar as duas estradas ao mesmo tempo, eles podem interferir consigo mesmos ao fazê-lo.

p A equipe de pesquisa, trabalhando na UC Berkeley e no Berkeley Lab's Advanced Light Source, mostrou que o espalhamento inelástico de luz pode ser controlado controlando a interferência entre os estados intermediários entre a absorção e a emissão de fótons. A manipulação dessa interferência permitiu novos tipos de controle quântico de reações químicas, bem como de estados "spintrônicos", em que não a carga, mas os spins quânticos dos elétrons são afetados. O espalhamento Raman fortemente aprimorado pode ser uma bênção para a pesquisa de materiais em nanoescala. A luminescência quente é potencialmente atraente para optoeletrônica e pesquisa biológica, em que as etiquetas do infravermelho próximo - mesmo as fracas - podem ser muito úteis.

p "Da mesma forma, o fenômeno da luminescência de elétrons quentes, porque segue imediatamente a excitação por uma sonda de laser, pode se tornar uma ferramenta de pesquisa valiosa, "diz Wang, "particularmente para estudar a dinâmica do elétron ultrarrápida, uma das principais características incomuns do grafeno. "