Ilustrao da interao de uma onda acstica de superfcie com xcitons neutros (uma carga positiva e uma negativa) e trons (duas cargas negativas e uma positiva) em um material semicondutor bidimensional. As setas indicam a emisso dos ftons.
Estamos bem familiarizados com prtons, nutrons, eltrons e ftons, mas voc j ouviu falar em éxcitons?
Éxcitons so quasipartculas compostas por um eltron (portador de carga negativa) e uma ausncia de eltron, mais conhecida como lacuna, ou buraco, a portadora de carga positiva.
Em vez de colapsarem, eltron e lacuna podem interagir, formando um estado ligado estvel. Esse par tem o comportamento similar ao de uma partcula – ele se torna uma quasipartcula – e recebe o nome de xciton.
Os xcitons tm grande interesse tecnolgico porque podem se produzidos com luz, utilizando-se laser, e seu estado quntico tambm pode ser lido opticamente, a partir da deteco da luz que ele emite (um fton) quando eltron e lacuna eventualmente se recombinam.
O fton emitido carrega informao sobre o spin e o momento angular orbital dos xcitons. Em uma analogia com os circuitos eletrnicos (baseados em eltrons), possvel imaginar circuitos compostos por xcitons, nos quais a informao codificada no estado quntico dessas quasipartculas e a manipulao da informao feita mediante a aplicao de campos eltricos e magnticos. essa possibilidade que coloca os xcitons na crista da onda de plataformas emergentes de computao.
E fsicos brasileiros acabam de criar mais uma possibilidade de explorao prtica dessas quasipartculas: Eles manipularam xcitons usando ondas sonoras, ou acsticas.
Manipulao acstica de xcitons
Diego Scolfaro e seus colegas da Unicamp utilizaram um material semicondutor quase-bidimensional, formado por uma nica camada de tomos de disseleneto de molibdnio (MoSe2), ou molibdenita , que possui a caracterstica de emitir luz fortemente, em temperatura ambiente, na banda do espectro eletromagntico correspondente luz visvel.
“Um dos interesses nesse tipo de material a forte interao entre eltrons e buracos, que permite que emitam luz com eficincia em temperatura ambiente, diferentemente do que ocorre com outras nanoestruturas semicondutoras. Por outro lado, exatamente pelo fato de a interao excitnica ser to forte, a manipulao eficiente dos estados excitnicos torna-se bastante difcil,” explicou o professor Odilon Couto, orientador do trabalho.
Em vez de luz, os pesquisadores utilizaram ondas acsticas de superfcie , ou ondas de Rayleigh, para uma possibilidade alternativa de manipular dois tipos de xcitons nessa classe de materiais 2D: xcitons neutros, isto , cada qual composto por um eltron e um buraco; e trons, cada qual composto por dois eltrons e um buraco.
“As ondas acsticas de superfcie nada mais so do que deformaes mecnicas geradas em uma direo bem definida do material. Elas carregam um campo piezoeltrico, que pode ser utilizado para manipular e modular as interaes excitnicas, de modo a controlar a taxa e a energia da emisso de luz,” esclareceu Odilon – a piezoeletricidade a capacidade que alguns materiais tm de gerar tenso eltrica em resposta presso mecnica, e vice-versa.
Componente binrio
“Alm de manipular a emisso excitnica, a onda acstica permite tambm quebrar os xcitons e criar, em decorrncia, um sistema liga-desliga: Sem onda acstica, ocorre a emisso de luz; com onda acstica, a emisso abortada,” contou o pesquisador – um sistema liga-desliga a essncia de um componente binrio, como uma memria.
Uma vez quebrado o xciton, o eltron e o buraco so carregados pela onda, vindo a se recombinar mais para a frente. O destaque aqui, diz o professor Odilon, que, controlando-se todos os parmetros da onda superficial, o que relativamente simples de fazer, torna-se possvel manipular os xcitons no material de forma mais previsvel.
“Um dos resultados que obtivemos foi determinar experimentalmente alguns parmetros que ainda no haviam sido reportados na literatura, como a polarizabilidade eltrica de xcitons e trons em monocamadas de MoSe2,” finalizou.
Conceito promissor
O trabalho ainda uma demonstrao de conceito, mas em um campo que est florescendo.
Os xcitons manipulados por luz so os elementos ativos em uma srie de avanos recentes, como transistores de luz , lasers qunticos , qubits de luz lquida e vrias tcnicas de computao feita com luz .
As ondas acsticas superficiais, por sua vez, so largamente usadas em equipamentos eletroeletrnicos, incluindo sistemas de comunicao, conversores AC/DC, filtros etc. Mas elas tambm tm encontrado aplicaes nas tecnologias emergentes, incluindo linhas de montagem nanotecnolgicas , pinas acsticas e at computadores qunticos acsticos .
Bibliografia:
Artigo: Acoustically Driven Stark Effect in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers
Autores: Diego Scolfaro, Matheus Finamor, Luca O. Trincho, Brbara L. T. Rosa, Andrey Chaves, Paulo V. Santos, Fernando Iikawa, Odilon D. D. Couto Jr.
Revista: ACS Nano