O termo dissulfeto de molibdênio pode parecer familiar para alguns motoristas e mecânicos de automóveis. Não é à toa:a substância, descoberta pelo químico norte-americano Alfred Sonntag na década de 1940, ainda hoje é usada como lubrificante de alto desempenho em motores e turbinas, mas também em parafusos e porcas.



Isto se deve à estrutura química especial deste sólido, cujas camadas individuais de material são facilmente deslocáveis ​​umas em relação às outras. No entanto, dissulfeto de molibdênio (quimicamente MoS₂ ) não apenas lubrifica bem, mas também é possível esfoliar uma única camada atômica desse material ou cultivá-la sinteticamente em escala de wafer.

O isolamento controlado de um MoS₂ a monocamada foi alcançada há apenas alguns anos, mas já é considerada um avanço na ciência dos materiais com enorme potencial tecnológico. A equipe da Empa agora quer trabalhar justamente com essa classe de materiais.

A estrutura em camadas de camadas atômicas individuais torna este material interessante para físicos em busca de materiais de base para nanocomputadores de próxima geração. MoS₂ - e seus parentes químicos chamados dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) - são uma das principais "estrelas cadentes" em toda uma gama de materiais bidimensionais (2D).

Os TMDs são semicondutores 2D e possuem um band gap direto, mas apenas como uma única camada, o que os torna particularmente atraentes para circuitos integrados miniaturizados ou detectores ópticos. As robustas propriedades mecânicas quânticas dos materiais 2D também estão sendo intensamente exploradas para uso em metrologia quântica, criptografia quântica e tecnologia de informação quântica.

Mas não é apenas o material de base que importa, mas em particular também a capacidade de gerir defeitos nele contidos:de forma análoga à dopagem química de semicondutores "clássicos" em circuitos integrados ou de iões estranhos em lasers de estado sólido, os defeitos atómicos são "como a cobertura do bolo", especialmente em materiais 2D, disse Schuler.

Computadores quânticos atomicamente finos

O pesquisador da Empa quer caracterizar defeitos atômicos em TMDs usando um novo tipo de instrumento e investigar sua adequação como os chamados emissores quânticos. Os emissores quânticos formam a interface entre dois mundos:o spin do elétron – o análogo da mecânica quântica do torque do elétron – que é adequado para processar informações quânticas, e os fótons, ou seja, partículas de luz, que podem ser usados ​​para transmitir informações quânticas por longas distâncias sem perdas. .

Os materiais 2D oferecem a grande vantagem de que as escalas de energia relevantes são muito maiores do que as dos materiais 3D, pelo que se espera que a tecnologia possa ser utilizada acima de ambientes criogénicos – idealmente mesmo à temperatura ambiente. Além disso, os defeitos devem estar localizados na superfície do material 2D, tornando-os muito mais fáceis de encontrar e manipular.

Mas primeiro, os defeitos no MoS bidimensional₂ camada deve ser detectada e suas propriedades eletrônicas e ópticas devem ser investigadas com precisão. Preciso, neste caso, significa que o local sob investigação é explorado com a precisão de um angstrom. Para efeito de comparação:1 angstrom está para um metro o que 4 cm está para a distância da Terra à Lua (400.000 km).

E o instantâneo usado para registrar a excitação eletrônica do ponto quântico deve ter precisão de até um picossegundo (ps) – 1 ps é uma fração de segundo tão pequena quanto dois dias são comparados à idade do planeta Terra (5 bilhões de anos). ).

Essas medições ultracurtas e atomicamente precisas fornecem uma imagem muito detalhada de quais processos dinâmicos estão ocorrendo em escala atômica e quais fatores estão afetando esses processos.

Um aparelho feito de duas metades

O aparato onde serão realizados os experimentos já está localizado em uma sala no subsolo do prédio do laboratório da Empa em Dübendorf – onde o piso é mais estável. “Investimos mais de um ano e meio em trabalho de preparação e desenvolvimento para concluir nossa configuração experimental”, explica Bruno Schuler.

"Em outubro de 2022, conectamos as duas metades do nosso sistema e conseguimos medir pela primeira vez as correntes induzidas pelas ondas de luz. O princípio funciona. Um grande marco no projeto."

As duas metades com as quais a equipe de Schuler trabalhará agora são, por um lado, um microscópio de varredura por tunelamento (STM). Uma ponta ultrafina é usada para escanear a superfície atômica da amostra. Os cientistas posicionarão a ponta em um local de defeito, ou seja, uma vaga ou um átomo “estranho” na estrutura.

Então, a segunda metade do sistema, que o colega de Schuler, Jonas Allerbeck, configurou, entra em ação:um laser infravermelho de 50 watts envia pulsos de laser ultracurtos para um cristal não linear de niobato de lítio. Isso gera um pulso eletromagnético de fase estável na faixa de frequência terahertz. Este pulso é apenas uma única oscilação de luz e pode ser dividido com óptica especial em um par de pulsos de bomba e sonda - ambos os quais se sucedem com atraso variável e podem medir a dinâmica dos elétrons de maneira estroboscópica.

Um elétron 'salta' para o local do defeito

Os dois pulsos são então enviados para o STM e direcionados para a ponta da sonda. O primeiro pulso separa um elétron da ponta, que "salta" para o local do defeito do MoS bidimensional₂ camada e excita elétrons lá. “Isso pode ser uma carga elétrica, uma excitação de spin, uma vibração de rede ou um par elétron-buraco que criamos ali”, explica Schuler.

"Com o segundo pulso, observamos alguns picossegundos depois como o local do nosso defeito respondeu ao pulso de excitação e com isso podemos estudar processos de decoerência e transferência de energia para o substrato."

Dessa forma, Schuler é um dos poucos especialistas no mundo a combinar resolução de curto prazo em picossegundos com um método que pode detectar átomos individuais. A equipe faz uso da localização intrínseca de estados no sistema de material 2D para manter as excitações em um local por tempo suficiente para serem detectadas.

“O microscópio ultrarrápido de sonda de varredura de ondas de luz permite novos insights fascinantes sobre processos de mecânica quântica em escala atômica, e os materiais 2D são uma plataforma de materiais única para criar esses estados de forma controlada”, diz o pesquisador da Empa.

Fornecido pelos Laboratórios Federais Suíços para Ciência e Tecnologia de Materiais