p Os humanos aproveitaram grandes porções do espectro eletromagnético para diversas tecnologias, de raios X a rádios, mas uma parte desse espectro permaneceu amplamente fora de alcance. Isso é conhecido como lacuna de terahertz, localizado entre as ondas de rádio e a radiação infravermelha, duas partes do espectro que usamos em tecnologias cotidianas, incluindo telefones celulares, Controles remotos de TV e torradeiras. p Uma teoria desenvolvida pelo falecido professor de Stanford e ganhador do Prêmio Nobel Felix Bloch sugeriu que um material especialmente estruturado que permitisse os elétrons oscilar de uma maneira particular poderia ser capaz de conduzir esses sinais terahertz procurados.

p Agora, décadas após a teoria de Bloch, Os físicos de Stanford podem ter desenvolvido materiais que permitem essas oscilações teorizadas, algum dia permitindo melhorias em tecnologias de células solares a scanners de aeroporto. O grupo publicou suas descobertas na edição de 29 de setembro da Ciência .

p Inovações em materiais de superrede

p Os pesquisadores há muito pensam que materiais com padrões espaciais repetidos em nanoescala podem permitir as oscilações de Bloch, mas a tecnologia está apenas alcançando a teoria. Tal material requer que os elétrons viajem longas distâncias sem deflexão, onde mesmo a menor imperfeição no meio pelo qual os elétrons fluem pode tirá-los de seu caminho original, como um riacho tentando passar por cima de pedras e árvores caídas.

p Pesquisas crescentes no campo de materiais bidimensionais e superredes podem tornar esse tipo de material uma realidade. Superredes são semicondutores feitos por camadas de materiais ultrafinos cujos átomos são organizados em um padrão de rede periódico.

p Para este estudo, os pesquisadores criaram uma superrede bidimensional imprensando uma folha de grafeno atomicamente fino entre duas folhas de nitreto de boro eletricamente isolante. Os átomos de grafeno e nitreto de boro têm espaçamentos ligeiramente diferentes, então, quando eles são empilhados uns sobre os outros, eles criam um padrão especial de interferência de onda denominado padrão moiré.

p Novos usos para elétrons

p Protegido do ar e contaminantes por nitreto de boro acima e abaixo, elétrons no grafeno fluem ao longo de caminhos suaves sem deflexão, exatamente como sugerido pela teoria, seria necessário para conduzir sinais terahertz. Os pesquisadores conseguiram enviar elétrons através da folha de grafeno, colete-os do outro lado e use-os para inferir a atividade dos elétrons ao longo do caminho.

p Usualmente, quando uma voltagem é aplicada em um cristal, os elétrons são continuamente acelerados na direção do campo elétrico até serem desviados. Nesta superrede moiré, pesquisadores mostraram que os elétrons podem ser confinados a bandas mais estreitas de energia, disse o professor de física David Goldhaber-Gordon, co-autor do estudo. Combinado com tempos muito longos entre deflexões, isso deve levar os elétrons a oscilar no lugar e emitir radiação na faixa de frequência terahertz. Este é um sucesso fundamental no caminho para a criação de emissão controlada e detecção de frequências terahertz.

p Além de aproximar a teoria de Bloch da realidade, os pesquisadores descobriram uma mudança completamente surpreendente na estrutura eletrônica de seu material de superrede.

p "Em semicondutores, como silício, podemos ajustar quantos elétrons são embalados neste material, "disse Goldhaber-Gordon." Se colocarmos mais, eles se comportam como se tivessem carga negativa. Se tirarmos alguns, a corrente que se move através do sistema se comporta como se fosse composta de cargas positivas, mesmo sabendo que são todos elétrons. "

p Mas esta superrede traz uma nova reviravolta:adicionar ainda mais elétrons produz partículas de carga positiva, e tirando ainda mais retornos para carga negativa.

p As aplicações futuras desta reversão no caráter dos elétrons podem vir na forma de junções p-n mais eficientes, que são blocos de construção cruciais para a maioria dos dispositivos eletrônicos semicondutores, como células solares, LEDs e transistores. Normalmente, se alguém iluminar uma junção p-n, enviar um elétron para cada fóton absorvido é considerado um desempenho excelente. Mas essas novas junções podem emitir vários elétrons por fóton, coletando a energia da luz com mais eficácia.

p Terahertz e Stanford, passado e futuro

p Embora essa nova pesquisa ainda não tenha criado um oscilador Bloch, os cientistas deram o primeiro passo ao mostrar que o momento e a velocidade de um elétron podem ser preservados por longos tempos e distâncias dentro desta superrede, disse Menyoung Lee, coautor do estudo que conduziu a pesquisa como estudante de graduação no Grupo Goldhaber-Gordon.

p "Aplicamos as primeiras lições originais de física do estado sólido que Felix Bloch descobriu há muito tempo, e descobrimos que podemos usar isso para conduzir fenômenos de condução únicos em novos materiais de engenharia, "Lee disse.

p A tecnologia de frequência Terahertz pode eventualmente ser uma melhoria nas tecnologias atuais. Quando os aeroportos dos EUA fazem a varredura de passageiros em pontos de controle de segurança hoje, eles usam microondas, que penetram materiais não metálicos para revelar objetos metálicos ocultos. Goldhaber-Gordon explicou que o terahertz tem propriedades de transmissão semelhantes, mas comprimento de onda mais curto, potencialmente revelando até mesmo objetos ocultos não metálicos em alta resolução. Ele acrescentou que os scanners terahertz também podem ser usados ​​para detectar defeitos, como cavidades ocultas em objetos em uma linha de montagem de manufatura.

p A condução eletrônica limpa demonstrada neste trabalho também promoveu a compreensão das maneiras pelas quais os elétrons interagem e fluem, e Goldhaber-Gordon disse que seu laboratório planeja usar esses insights para trabalhar na criação de feixes extremamente estreitos de elétrons para enviar através de superredes. Ele chamou esse novo campo de "óptica de elétrons em materiais 2-D" porque esses feixes viajam em linha reta e obedecem às leis de refração de forma semelhante aos feixes de luz.

p “Esta vai ser uma área que abre muitas novas possibilidades, "disse Goldhaber-Gordon, "e estamos apenas começando a explorar o que podemos fazer."