Um grande desafio de pesquisa no campo da nanotecnologia é encontrar formas eficientes de controlar a luz, habilidade essencial para imagens de alta resolução, biossensores e telefones celulares. Como a luz é uma onda eletromagnética que não carrega carga, é difícil manipulá-la com voltagem ou um campo magnético externo. Para resolver esse desafio, os engenheiros encontraram maneiras indiretas de manipular a luz usando propriedades dos materiais a partir dos quais a luz reflete. No entanto, o desafio se torna ainda mais difícil em nanoescala, pois os materiais se comportam de maneira diferente em estados atomicamente finos.
Deep Jariwala, professor assistente de engenharia elétrica e de sistemas, e colegas descobriram uma propriedade magnética em materiais antiferromagnéticos que permite a manipulação da luz em nanoescala e, simultaneamente, liga o material semicondutor ao magnetismo, uma lacuna que os cientistas tentam preencher por décadas. Eles descreveram suas descobertas em um estudo recente publicado na Nature Photonics .

Colaborando com Liang Wu, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências da Penn, juntamente com os alunos de pós-graduação Huiqin Zhang, um estudante de doutorado no laboratório de Jariwala, e Zhuoliang Ni, um estudante de doutorado no laboratório de Wu, os pesquisadores descrevem a propriedade magnética do FePS3, um material semicondutor antiferromagnético. Christopher Stevens e Joshua Hendrickson do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e KBR, Inc. em Ohio, bem como Aofeng Bai e Frank Peiris no Kenyon College em Ohio também contribuíram para este trabalho.

"A pesquisa do nosso laboratório se concentra em encontrar novos materiais para eletrônicos, computadores, armazenamento de informações e captação e conversão de energia", diz Jariwala. “A classe de materiais que examinamos são materiais de van der Waals bidimensionais atomicamente finos e, mais especificamente, aqueles que são semicondutores”.

Os materiais magnéticos são classificados como ferromagnetos ou antiferromagnetos. Os antiferromagnetos são materiais que contêm linhas de elétrons girando em uma direção ao lado de linhas de elétrons girando na direção oposta, cancelando qualquer força de atração ou repulsão típica dos ímãs, enquanto os ferromagnetos são aqueles com elétrons que giram todos na mesma direção e produzem seus próprios campo magnético.

O material antiferromagnético utilizado neste estudo, FePS3, ou trissulfeto de ferro e fósforo, é um semicondutor com propriedades ópticas únicas, dependentes do alinhamento da direção do seu spin eletrônico.

"Teoricamente, ao aplicar um campo magnético externo a esse semicondutor 2D antiferromagnético, podemos alterar suas propriedades ópticas", diz Jariwala. "E é assim que você usa uma propriedade magnética para manipular a luz. Tendo feito a ligação entre o magnetismo e a manipulação da luz, estamos entrando no campo da 'magnetofotônica', uma área de pesquisa que acredito que se expandirá muito nos próximos cinco a dez anos. anos."

O artigo não apenas descreve o uso das propriedades magnéticas do material para controlar a luz, mas também destaca que há também uma propriedade física do material envolvido.

"Descobrimos também que para espessuras específicas esse material antiferromagnético atua como uma cavidade que aumenta significativamente sua interação com a luz e sua alteração com a propriedade magnética", diz Jariwala. "Isso é importante ao tentar desenvolver uma técnica eficiente para controle de luz."

"Imagine a cavidade do material como o espaço entre dois espelhos paralelos", diz ele. "Parado neste espaço, você verá um número infinito de seus próprios reflexos, o que ocorre porque a luz que você está observando está interagindo muitas vezes com o meio dos espelhos. Quanto mais interações a luz tiver com o meio antes de escapar, mais mais forte o efeito óptico. Ao criar uma cavidade altamente interativa através da alteração da espessura do material, podemos produzir fortes respostas ópticas, só que agora elas também são guiadas pela propriedade magnética do semicondutor."

O trabalho de Jariwala liga as propriedades magnéticas e ópticas dos nanomateriais antiferromagnéticos, abrindo portas para a engenharia de luz para aplicações de alta tecnologia.

A manipulação da luz não é apenas significativa para o avanço da tecnologia, é também uma ferramenta utilizada para caracterizar materiais.

"Este trabalho também está relacionado a um estudo anterior liderado por Liang que demonstrou a capacidade da microscopia de geração de segundo harmônico para visualizar diretamente o alinhamento de spin em um semicondutor antiferromagnético diferente no nível de monocamada", diz Jariwala.

"Esse tipo de microscopia é uma maneira especializada de observar uma propriedade óptica única presente apenas em determinados materiais. Usando essa técnica de microscopia especializada, agora podemos caracterizar materiais e mapear suas propriedades magnéticas com uma espessura de apenas alguns átomos. Esses trabalhos juntos destacam a importância das propriedades ópticas tanto para compreender melhor os materiais quanto para desenvolver novos tipos de técnicas de imagem e microscopia." diz Wu

Os próximos passos dos pesquisadores serão trazer a teoria da manipulação da luz pelo magnetismo para a prática, aplicando ativamente campos magnéticos a rotações orientais selecionadas em materiais antiferromagnéticos, testando a capacidade de criar circuitos magnetofotônicos.

“Estamos muito animados com essas observações, principalmente porque são em materiais semicondutores onde possuímos vários outros botões para manipulação”, diz Jariwala. "Além disso, essa classe de materiais é muito mais ampla, com muito mais combinações para explorar, incluindo encontrar maneiras de aumentar as temperaturas de transição magnética. Agora estamos procurando encontrar e projetar maneiras de manipular a luz dentro desses materiais usando vários botões de controle e ver como fortemente podemos ajustá-los em dispositivos reais." + Explorar mais

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