O grafeno é um material feito de átomos de carbono com uma camada de espessura, dispostos em uma estrutura de favo de mel. Tem sido usado para tornar os materiais mais fortes, criar componentes de ultra-alta frequência para comunicações, aumentar o desempenho da bateria e até mesmo usado para fazer testes COVID-19. É o material bidimensional arquetípico (2D) - mas há muito mais nos materiais 2D do que o grafeno.

Desde que o grafeno foi isolado pela primeira vez em 2004, a pesquisa se expandiu para a criação de outros, materiais 2D sem carbono. Agora, existem muitas dezenas desses, e eles são aclamados para causar um impacto onde o grafeno é menos adequado, como em novos transistores e dispositivos optoeletrônicos de última geração, que geram, detectar e controlar a luz.

Nosso estudo recente focou em uma nova forma de dissulfeto de tungstênio 2D (WS2), que é 2D e 3D. WS2 é um semicondutor - igual ao silício, que é encontrado em quase todos os dispositivos eletrônicos. Contudo, ao contrário do silício, WS2 pode existir em uma forma 2D estável. Organizamos o material WS2 de uma nova maneira para criar um arranjo 3D de folhas 2D que chamamos de nanomesh.

A nanomesh WS2 dobra a frequência e reduz pela metade o comprimento de onda da luz laser - mudando sua cor enquanto o faz - com grande eficiência. Isso significa que pode ser útil em componentes para comunicações quânticas usando luz, onde as tentativas de "espionar" mensagens sempre podem ser detectadas. A luz é importante nas comunicações quânticas porque as partículas de luz, chamados fótons, pode ser usado para transportar informações. Quando dois fótons experimentam algo chamado emaranhamento quântico, tudo o que acontece com um deles é imediatamente observável no outro, não importa o quão distantes eles estejam.

A comunicação quântica tem o potencial de fornecer comunicação verdadeiramente segura em todo o mundo. Usando a propriedade bizarra de emaranhamento, é possível projetar um sistema para que, quando um sinal for interceptado, o remetente sabe imediatamente.

Muitas das tentativas até agora de criar comunicações quânticas têm usado luz laser. Mas, para fazer isso, precisamos de uma maneira eficiente de controlar a luz. Isso poderia ser feito potencialmente com materiais 2D.

Confinamento bidimensional

Em materiais 2D, os elétrons podem se mover em duas dimensões, mas seu movimento na terceira dimensão é restrito. Este confinamento dá aos materiais 2D propriedades interessantes que significam que eles mostram uma grande promessa como dispositivos ultrafinos para TI, comunicações, de detecção, energia, imagem e computação quântica. Para muitos desses aplicativos, os materiais 2D, que têm apenas um átomo de espessura, deite-se sobre uma superfície de apoio.

Infelizmente, Contudo, a resistência desses materiais - que são extremamente finos - é também sua maior fraqueza. Isso significa que quando eles estão iluminados, a luz visível pode interagir com eles apenas em uma espessura minúscula e o efeito resultante é fraco. Para superar isso, pesquisadores como eu estão começando a procurar novas maneiras de embalar os materiais 2D em estruturas 3D complexas.

Nanomesh

Meu Ph.D. aluno e eu criamos uma rede 3D de teia de densamente compactada, pilhas distribuídas aleatoriamente, contendo folhas 2D giradas e fundidas chamadas de nanomesh. Suas características únicas são o resultado do processo de síntese específico que desenvolvemos. Começamos crescendo nanotubos unidimensionais (folhas enroladas) de WS2, como um andaime. Estes são naturalmente preenchidos com um material a partir do qual folhas WS2 podem crescer nas pontas dos nanotubos e em seus lados, girado um em cima do outro e implantado como um ventilador. Essas folhas então se fundiram umas com as outras para criar folhas 2D maiores que se cruzam em 3D para criar a nanomesh.

Dentro de um semicondutor, existem bandas de energia, separados por uma lacuna de energia. Apenas a luz com energia maior do que a lacuna de energia pode interagir com o material de uma forma útil. Se novos níveis de energia forem introduzidos dentro dessa lacuna de energia, a duplicação da frequência da luz que passa pelo material é muito mais eficiente e pode ocorrer em uma faixa maior de comprimentos de onda. Isso é exatamente o que nossa nanomesh consegue, muda o cenário de energia - as faixas de energia, lacunas de energia e níveis de energia dentro da lacuna - do material.

Medições feitas por meus colegas no grupo de fotônica demonstraram que o material nanomesh de fato converte com eficiência uma cor de laser em outra em uma ampla paleta de cores. Em comparação com as camadas WS2 planas, a nanomesh é altamente eficiente e responde a uma ampla gama de comprimentos de onda de luz, ao mesmo tempo que é durável e pode ser cultivado em grandes áreas.

Nosso estudo é a prova de que a montagem de materiais 2D em um arranjo 3D não resulta apenas em materiais 2D mais espessos com os quais a luz interage mais fortemente - ela produz materiais com propriedades inteiramente novas.

A nanomesh que fizemos é tecnologicamente simples de produzir em grande escala, e oferece interação com a luz que pode ser ajustada. O material poderia ser mais evoluído, por exemplo, incluindo pequenas nanopartículas metálicas ou depositando um segundo material. Esses híbridos ofereceriam maneiras adicionais de alterar a luz do laser que passa por eles.

Nosso próximo objetivo é incorporar a nanomesh em dispositivos que transmitem e modificam a luz e que podem ser integrados à microeletrônica tradicional. Esta é uma rota para o desenvolvimento de comunicações ópticas quânticas práticas.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.