O ângulo de torção formado entre camadas atomicamente finas de dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio atua como um "botão de ajuste, "transformando semicondutores comuns em um material quântico exótico. Crédito:Berkeley Lab
Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveu um método simples que poderia transformar materiais semicondutores comuns em máquinas quânticas - dispositivos superfinos marcados por um comportamento eletrônico extraordinário. Esse avanço poderia ajudar a revolucionar uma série de indústrias que buscam sistemas eletrônicos com eficiência energética - e fornecer uma plataforma para uma nova física exótica.
O estudo que descreve o método, que empilha camadas 2-D de dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio para criar um material intrincadamente padronizado, ou superrede, foi publicado online recentemente no jornal Natureza .
"Esta é uma descoberta incrível porque não pensamos nesses materiais semicondutores como tendo uma interação forte, "disse Feng Wang, um físico de matéria condensada na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de física na UC Berkeley. "Agora, este trabalho trouxe esses semicondutores aparentemente comuns para o espaço dos materiais quânticos."
Materiais bidimensionais (2-D), que têm apenas um átomo de espessura, são como blocos de construção nanométricos que podem ser empilhados arbitrariamente para formar dispositivos minúsculos. Quando as redes de dois materiais 2-D são semelhantes e bem alinhadas, um padrão repetitivo denominado superrede moiré pode se formar.
Na última década, pesquisadores têm estudado maneiras de combinar diferentes materiais 2-D, geralmente começando com grafeno - um material conhecido por sua capacidade de conduzir calor e eletricidade com eficiência. Fora deste trabalho, outros pesquisadores descobriram que as superredes moiré formadas com grafeno exibem uma física exótica, como a supercondutividade, quando as camadas estão alinhadas no ângulo certo.
O novo estudo, liderado por Wang, usaram amostras 2-D de materiais semicondutores - dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio - para mostrar que o ângulo de torção entre as camadas fornece um "botão de ajuste" para transformar um sistema semicondutor 2-D em um material quântico exótico com elétrons altamente interagentes.
Entrando em um novo reino da física
Os co-autores principais Chenhao Jin, um pós-doutorado, e Emma Regan, um estudante pesquisador de pós-graduação, ambos trabalham para Wang no Ultrafast Nano-Optics Group da UC Berkeley, fabricou as amostras de dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio usando uma técnica à base de polímero para coletar e transferir flocos dos materiais, cada um medindo apenas dezenas de mícrons de diâmetro, em uma pilha.
A grande energia potencial de três estados distintos de excitons em um dispositivo de dissulfeto de tungstênio / disseleneto de tungstênio 2D poderia introduzir fenômenos quânticos exóticos em materiais semicondutores. Crédito:Berkeley Lab
Eles haviam fabricado amostras semelhantes dos materiais para um estudo anterior, mas com as duas camadas empilhadas em nenhum ângulo específico. Quando eles mediram a absorção óptica de uma nova amostra de dissulfeto de tungstênio e disseleneto de tungstênio para o estudo atual, eles foram pegos completamente de surpresa.
A absorção de luz visível em um dispositivo de dissulfeto de tungstênio / disseleneto de tungstênio é maior quando a luz tem a mesma energia que o exciton do sistema, uma quase-partícula que consiste em um elétron ligado a um orifício comum em semicondutores 2-D. (Na física, um buraco é um estado atualmente vago que um elétron poderia ocupar.)
Para luz na faixa de energia que os pesquisadores estavam considerando, eles esperavam ver um pico no sinal que correspondia à energia de um exciton.
Em vez de, eles descobriram que o pico original que esperavam ver havia se dividido em três picos diferentes, representando três estados distintos de excitons.
O que poderia ter aumentado o número de estados de exciton no dispositivo de dissulfeto de tungstênio / tungstênio de um para três? Foi a adição de uma superrede moiré?
Descobrir, seus colaboradores Aiming Yan e Alex Zettl usaram um microscópio eletrônico de transmissão (TEM) na Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de pesquisa científica em nanoescala, para obter imagens de resolução atômica do dispositivo de dissulfeto de tungstênio / diseleneto de tungstênio para verificar como as redes dos materiais foram alinhadas.
As imagens TEM confirmaram o que eles suspeitavam o tempo todo:os materiais haviam de fato formado uma superrede moiré. “Vimos lindos, repetir padrões em toda a amostra, "disse Regan." Depois de comparar esta observação experimental com um modelo teórico, descobrimos que o padrão moiré introduz uma grande energia potencial periodicamente sobre o dispositivo e pode, portanto, introduzir fenômenos quânticos exóticos. "
Os pesquisadores planejam medir como este novo sistema quântico pode ser aplicado à optoeletrônica, que se refere ao uso da luz em eletrônica; Valleytronics, um campo que poderia estender os limites da lei de Moore miniaturizando componentes eletrônicos; e supercondutividade, o que permitiria que os elétrons fluíssem em dispositivos praticamente sem resistência.
