Um floco atomicamente fino de disseleneto de tungstênio atua como um reservatório para excitons, que são compostos de elétrons (vermelho) e buracos (azul). Esses excitons passam rapidamente para um estreito nanotubo de carbono suspenso sobre uma trincheira. Crédito:Laboratório de Fotônica Quântica em Nanoescala RIKEN Uma folha plana de átomos pode atuar como uma espécie de antena que absorve luz e canaliza sua energia em nanotubos de carbono, fazendo-os brilhar intensamente. Este avanço poderia ajudar no desenvolvimento de pequenos dispositivos emissores de luz que explorarão os efeitos quânticos.
Os nanotubos de carbono se assemelham a fios ocos muito finos, com diâmetro de apenas um nanômetro ou mais. Eles podem gerar luz de várias maneiras. Por exemplo, um pulso de laser pode excitar elétrons carregados negativamente dentro do material, deixando “buracos” carregados positivamente. Essas cargas opostas podem se emparelhar para formar um estado energético conhecido como exciton, que pode viajar relativamente longe ao longo de um nanotubo antes de liberar sua energia na forma de luz.
Em princípio, este fenómeno poderia ser explorado para fabricar dispositivos emissores de luz em nanoescala altamente eficientes.
Infelizmente, existem três obstáculos ao uso de um laser para gerar excitons dentro de nanotubos de carbono. Primeiro, um feixe de laser é normalmente 1.000 vezes mais largo que um nanotubo, portanto, muito pouco de sua energia é realmente absorvida pelo material. Em segundo lugar, as ondas de luz devem alinhar-se perfeitamente com o nanotubo para distribuir a sua energia de forma eficaz. Finalmente, os elétrons em um nanotubo de carbono só podem absorver comprimentos de onda de luz muito específicos.
Para superar essas limitações, uma equipe liderada por Yuichiro Kato, do Laboratório de Fotônica Quântica em Nanoescala RIKEN, recorreu a outra classe de nanomateriais, conhecidos como materiais 2D. Essas folhas planas têm apenas alguns átomos de espessura, mas podem ser muito mais largas que um feixe de laser e são muito melhores na conversão de pulsos de laser em excitons.
Os pesquisadores cultivaram nanotubos de carbono sobre uma trincheira escavada em um material isolante. Eles então colocaram um floco atomicamente fino de disseleneto de tungstênio no topo dos nanotubos. Quando os pulsos de laser atingiram esse floco, eles geraram excitons que se moveram para dentro do nanotubo e ao longo de seu comprimento, antes de liberar luz de comprimento de onda maior que o do laser. Demorou apenas um trilionésimo de segundo para cada exciton passar do material 2D para o nanotubo.
O artigo foi publicado na revista Nature Communications .
Ao testar nanotubos com uma variedade de estruturas diferentes que afetam os níveis cruciais de energia dentro do material, os pesquisadores identificaram formas ideais de nanotubos que facilitam a transferência de excitons do material 2D.
Com base neste resultado, eles pretendem usar a engenharia de banda – um conceito útil na engenharia de semicondutores para realizar dispositivos com propriedades superiores – em escala atomicamente fina. “Quando a engenharia de banda é aplicada a semicondutores de baixa dimensão, espera-se que surjam novas propriedades físicas e funcionalidades inovadoras”, diz Kato.
“Esperamos utilizar este conceito para desenvolver dispositivos fotônicos e optoeletrônicos com apenas algumas camadas atômicas de espessura”, acrescenta Kato. "Se pudermos reduzi-los ao limite atomicamente fino, esperamos que surjam novos efeitos quânticos, que podem se tornar úteis para futuras tecnologias quânticas."
