Os materiais bidimensionais de van der Waals têm sido foco de trabalho de vários grupos de pesquisa há algum tempo. Com apenas algumas camadas atômicas de espessura, essas estruturas são produzidas em laboratório pela combinação de camadas de diferentes materiais (em um processo conhecido como "Lego atômico"). As interações entre as camadas empilhadas permitem que as heteroestruturas exibam propriedades que os constituintes individuais não possuem.
O dissulfeto de molibdênio de duas camadas é um desses materiais de van der Waals, no qual os elétrons podem ser excitados usando uma configuração experimental adequada. Essas partículas carregadas negativamente deixam sua posição na banda de valência, deixando para trás um buraco carregado positivamente, e entram na banda de condução. Dadas as diferentes cargas de elétrons e buracos, os dois são atraídos um pelo outro e formam o que é conhecido como quasipartícula. Este último também é chamado de par elétron-buraco, ou éxciton, e pode se mover livremente dentro do material.

No dissulfeto de molibdênio de duas camadas, a excitação com a luz produz dois tipos diferentes de pares elétron-lacuna:pares intracamada, em que o elétron e a lacuna estão localizados na mesma camada do material, e os pares intercamadas, cujos lacuna e elétron estão localizados na mesma camada. diferentes camadas e, portanto, estão espacialmente separadas umas das outras.

Esses dois tipos de pares elétron-buraco têm propriedades diferentes:Os pares intracamadas interagem fortemente com a luz – em outras palavras, eles brilham muito. Por outro lado, os excitons entre camadas são muito mais escuros, mas podem ser deslocados para diferentes energias e, portanto, permitem que os pesquisadores ajustem o comprimento de onda absorvido. Ao contrário dos excitons intracamadas, os excitons intercamadas também exibem interações não lineares muito fortes entre si – e essas interações desempenham um papel essencial em muitas de suas aplicações potenciais.

Mescla de propriedades

Agora, os pesquisadores do grupo liderado pelo professor Richard Warburton, do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociência (SNI) da Universidade de Basel, acoplaram esses dois tipos de pares elétron-buraco, trazendo os dois para energias semelhantes. Essa convergência só é possível graças à ajustabilidade dos excitons intercamadas, e o acoplamento resultante faz com que as propriedades dos dois tipos de par elétron-buraco se fundam. Os pesquisadores podem, portanto, criar partículas mescladas que não são apenas muito brilhantes, mas também interagem muito fortemente umas com as outras.

"Isso nos permite combinar as propriedades úteis de ambos os tipos de pares elétron-buraco", explica Lukas Sponfeldner, estudante de doutorado do SNI Ph.D. Escola e primeiro autor do artigo. “Essas propriedades combinadas podem ser usadas para produzir uma nova fonte de fótons individuais, que são um elemento-chave da comunicação quântica”.

Compatível com modelos clássicos

No artigo, que foi publicado em Physical Review Letters , os pesquisadores também mostram que esse complexo sistema de pares elétron-buraco pode ser simulado usando modelos clássicos das áreas de mecânica ou eletrônica.

Especificamente, os pares elétron-buraco podem ser descritos de maneira muito eficaz como massas ou circuitos oscilantes. “Essas analogias simples e gerais nos ajudam a entender melhor as propriedades fundamentais das partículas acopladas, não apenas no dissulfeto de molibdênio, mas também em muitos outros sistemas e contextos materiais”, explica o professor Richard Warburton. + Explorar mais

Um material altamente absorvente de luz e ajustável