Pesquisadores encontram maneira inovadora de armazenar e processar informações, mantendo a polarização do vale à temperatura ambiente
Fotoluminescência de MoS2 /Heteroestruturas de perovskita quiral 1D. um Imagem de reflexão óptica e b Mapa PL de R-NEAPbI3 /MoS2 heteroestrutura. c Espectros PL de MoS2 única região (preto) e região de sobreposição (vermelho) de R-NEAPbI3 /MoS2 heteroestrutura. d Imagem de reflexão óptica e e Mapa PL de S-NEAPbI3 /MoS2 heteroestrutura. f Espectros PL de monocamada MoS2 única região (preto) e região de sobreposição (azul) de S-NEAPbI3 /MoS2 heteroestrutura. As linhas pontilhadas brancas, vermelhas e azuis delineiam a monocamada MoS2 , R-NEAPbI3 floco e S-NEAPbI3 floco, respectivamente. Espectros PL resolvidos por polarização de g monocamada MoS2 , h R-NEAPbI3 /MoS2 e eu S-NEAPbI3 /MoS2 . As linhas sólidas e linhas pontilhadas mostram componentes polarizados circularmente à esquerda (σ+) e à direita (σ−) do PL, respectivamente. A inserção mostra esquemas de bandas eletrônicas no vale K e K ′ com as respectivas regras de seleção óptica. As setas indicam transferência preferencial de elétrons de vales específicos em MoS2 para R- e S-NEAPbI3 perovskita quiral, respectivamente. Elétrons e buracos são representados como círculos vazios e preenchidos. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7 Pesquisadores do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, e da Northrop Grumman, uma empresa multinacional de tecnologia aeroespacial e de defesa, encontraram uma maneira de manter a polarização do vale à temperatura ambiente usando novos materiais e técnicas.
Esta descoberta pode levar a dispositivos que armazenam e processam informações de novas maneiras, sem a necessidade de mantê-los em temperaturas ultrabaixas. A pesquisa deles foi publicada recentemente na Nature Communications .
Um dos caminhos explorados para alcançar esses dispositivos é um campo relativamente novo chamado “valleytronics”. A estrutura da banda eletrônica de um material – a faixa de níveis de energia nas configurações eletrônicas de cada átomo – pode aumentar ou diminuir. Esses picos e depressões são conhecidos como “vales”. Alguns materiais possuem vários vales com a mesma energia. Um elétron em um sistema como este pode ocupar qualquer um desses vales, apresentando uma forma única de armazenar e processar informações com base no vale que o elétron ocupa.
Um desafio, no entanto, tem sido o esforço e o custo de manter as baixas temperaturas necessárias para manter estável a polarização do vale. Sem essa estabilidade, os dispositivos começariam a perder informações. Para tornar uma tecnologia como esta viável para aplicações práticas e acessíveis, os especialistas precisariam encontrar uma maneira de contornar esta restrição.
Explorando paisagens 2D para os vales perfeitos
Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) são materiais interessantes em camadas que podem ter, em sua forma mais fina, apenas alguns átomos de espessura. Cada camada do material consiste em uma folha bidimensional (2D) de átomos de metais de transição imprensados entre átomos de calcogênio. Enquanto o metal e o calcogênio estão fortemente ligados por ligações covalentes em uma camada, as camadas adjacentes estão apenas fracamente ligadas pelas interações de van der Waal. As ligações fracas que mantêm essas camadas unidas permitem que as DTM sejam esfoliadas até formar uma monocamada com apenas uma “molécula” de espessura. Estes são frequentemente chamados de materiais 2D.
A equipe do CFN sintetizou monocristais de perovskitas quirais de haleto de chumbo (R/S-NEAPbI3 ). A quiralidade descreve um conjunto de objetos, como moléculas, que são imagens espelhadas umas das outras, mas não podem ser sobrepostas. É derivado da palavra grega para “mãos”, um exemplo perfeito de quiralidade. As duas formas são idênticas, mas se você colocar uma mão em cima da outra, elas não se alinharão. Esta assimetria é importante para controlar a polarização do vale.
Flocos desse material, com aproximadamente 500 nanômetros de espessura ou cinco milésimos da espessura de um fio de cabelo humano, foram colocados em camadas sobre uma monocamada de dissulfeto de molibdênio (MoS2 ) TMD para criar o que é conhecido como heteroestrutura. Ao combinar diferentes materiais 2D com propriedades que afetam a transferência de carga na interface entre os dois materiais, essas heteroestruturas abrem um mundo de possibilidades.
Depois de criar e caracterizar essa heteroestrutura, a equipe ficou ansiosa para ver como ela se comportava.
Um grau de liberdade
“As DTMs têm dois vales com a mesma energia”, explicou Shreetu Shrestha, pesquisador de pós-doutorado no CFN e autor deste artigo. "Um elétron pode estar em um vale ou outro, o que lhe confere um grau adicional de liberdade. As informações podem então ser armazenadas com base no vale que um elétron ocupa."
Para obter uma imagem melhor do comportamento do material, a equipe aproveitou as ferramentas das instalações de Espectroscopia Óptica Avançada e Microscopia do CFN. Os cientistas usaram um laser polarizado linearmente para excitar a heteroestrutura que fabricaram e então mediram a luz emitida pelo dissulfeto de molibdênio TMD usando um microscópio confocal. Eles realizaram o mesmo processo com um TMD que não tinha a camada quiral de perovskita de haleto de chumbo adicionada.
Durante estas experiências avançadas, os investigadores notaram algo interessante sobre a forma como a luz era emitida. A heteroestrutura teve emissão menor que a DTM nua. Os pesquisadores atribuíram esse comportamento à carga transferida do TMD para a perovskita na heteroestrutura. Usando espectroscopia ultrarrápida, os pesquisadores descobriram que a carga é transferida muito rapidamente – apenas alguns trilionésimos de segundo.
A equipe também descobriu que a intensidade dos componentes polarizados circularmente esquerdo e direito da luz emitida depende da lateralidade da perovskita quiral usada. A natureza quiral da perovskita agia como um filtro para elétrons com spin diferente. Dependendo da lateralidade da perovskita quiral, os elétrons que giram para cima ou para baixo foram preferencialmente transferidos de um vale sobre os elétrons com spin oposto no outro vale. Esse fenômeno permitiria aos pesquisadores preencher vales seletivamente e usar sua ocupação da mesma forma que os transistores atuais nos computadores armazenam os 1s e 0s dos bits binários.
“Um ponto importante a destacar nesta experiência é que estes resultados foram obtidos à temperatura ambiente, que é para onde todo o campo deve se mover”, disse Mircea Cotlet, cientista de materiais do Laboratório Brookhaven e investigador principal do projeto. "Manter o hardware nas baixas temperaturas que estavam sendo usadas é muito mais complexo e caro. É encorajador ver esses tipos de propriedades de materiais à temperatura ambiente."
Embora a investigação em Valleytronics ainda esteja numa fase inicial, os investigadores já estão a pensar em possíveis aplicações. Esta tecnologia poderá melhorar os dispositivos existentes de forma surpreendente, expandindo as capacidades dos computadores clássicos, mas também poderá ser um componente do hardware do futuro.
"Isso ajudaria a tornar a computação clássica mais eficiente", disse Shrestha, "mas essa tecnologia também poderia ser aproveitada para a ciência da informação quântica, que inclui a computação quântica, ou mesmo a detecção quântica. Esses materiais atomicamente finos têm propriedades quânticas únicas, que deveríamos ser capaz de aproveitar." Da esquerda para a direita:Xiao Tong, Suji Park, Mircea Cotlet, Shreetu Shrestha e Donald DiMarzio. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven Promover a colaboração e a inovação
Os usuários e colaboradores do CFN vêm de uma ampla variedade de áreas acadêmicas, de pesquisa e da indústria. Este experimento envolveu a contribuição de um colaborador de longa data da empresa americana global de tecnologia aeroespacial e de defesa Northrop Grumman. Em 2021, o Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE) do DOE concedeu ao CFN financiamento para colaborar com a Northrop Grumman por meio do programa Tecnólogo Residente (TIR). O programa TIR reúne pessoal técnico sênior de laboratórios nacionais e da indústria para conduzir pesquisa e desenvolvimento. Programas como este fortalecem as relações laboratório-indústria nacional, ao mesmo tempo que promovem a inovação na indústria transformadora dos EUA e promovem o crescimento económico e a segurança energética.
“Nossas colaborações com Northrop Grumman e Don DiMarzio remontam a 2015”, disse Cotlet. "Temos um interesse mútuo em materiais 2D, especialmente em como eles ajudarão a criar a próxima geração de computadores. É encorajador ter a experiência de tantas pessoas diferentes aqui sob o mesmo teto. Somos uma instalação de usuários com acesso a uma variedade de recursos de alta qualidade. -instrumentos e técnicas finais que nos dão a capacidade de reunir todas essas informações."
Este trabalho também permitiu que Shrestha e Cotlet expandissem a pesquisa contínua que ambos têm feito sobre DTMs e transferência de carga.
"Eu trabalhei com perovskitas durante minha pesquisa de doutorado e minha primeira posição de pós-doutorado", disse Shrestha, "então pudemos combinar minha experiência nessa área com a experiência de Mircea em TMDs e os instrumentos ópticos que temos no Advanced Optical do CFN Instalação de espectroscopia e microscopia para descobrir algo promissor Também fiquei entusiasmado em trabalhar com Suji Park e Xiao Tong do CFN e Mingxing Li, um cientista que trabalhou anteriormente no CFN e agora está na Innovare.
"Esse tipo de entendimento não seria possível sem um esforço coletivo e acesso a todas essas instalações de ponta sob um único telhado. Estou animado para ver aonde esse trabalho vai levar e ansioso para contribuir com mais insights para os materiais 2D do CFN programa."
Mais informações: Shreetu Shrestha et al, Polarização do vale da temperatura ambiente via transferência seletiva de carga de spin, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40967-7 Informações do diário: Comunicações da Natureza
