Pesquisadores da Rice University descobriram que alguns semicondutores atômicos finos, conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), podem mudar fisicamente sua rede atômica quando expostos à luz. Esta resposta recentemente observada fornece uma maneira controlável de ajustar o comportamento e as propriedades desses materiais ultrafinos.
O fenômeno aparece em um subtipo de DTM chamado materiais Janus, em homenagem ao deus romano associado à transformação. A sua sensibilidade à luz poderá suportar tecnologias futuras que dependam de sinais ópticos em vez de correntes eléctricas, incluindo chips de computador mais rápidos e mais frios, sensores altamente responsivos e sistemas optoelectrónicos flexíveis.
“Na óptica não linear, a luz pode ser produzida para produzir novas cores, pulsos rápidos ou interruptores ópticos que ligam e desligam o sinal”, disse Kunian Zhang, ex-aluno de doutorado da Rice e primeiro autor do estudo. “Materiais bidimensionais, com apenas alguns átomos de espessura, tornam possível construir esses dispositivos ópticos em uma escala muito pequena.”
O que torna o material Janus diferente
Os TMDs são feitos de uma camada empilhada de um metal de transição, como o molibdênio, e duas camadas de um elemento calcogênio, como enxofre ou selênio. Sua combinação de condutividade, forte absorção de luz e flexibilidade mecânica os torna os principais candidatos para dispositivos eletrônicos e ópticos de próxima geração.
Dentro deste grupo, os materiais Janus se destacam porque suas camadas atômicas superior e inferior são compostas por diferentes elementos químicos, conferindo-lhes uma estrutura assimétrica. Este desequilíbrio cria uma polaridade elétrica embutida e aumenta sua sensibilidade à luz e às forças externas.
“Nosso trabalho explora como a estrutura dos materiais Janus afeta seu comportamento óptico e como a própria luz pode criar uma força nos materiais”, disse Zhang.
Detectando movimento nuclear com luz laser
Para investigar esse comportamento, a equipe usou feixes de laser de cores diferentes em um material Janus TMD de duas camadas composto de seleneto de enxofre de molibdênio empilhado em dissulfeto de molibdênio. Eles testaram como ele modula a luz por meio da geração de segundo harmônico (SHG), processo no qual o material emite luz com o dobro da frequência do feixe recebido. Quando o laser recebido coincide com as ressonâncias naturais do material, o padrão SHG normal é distorcido, revelando que os átomos estão se movendo.
“Descobrimos que a luz brilhante no seleneto de enxofre e molibdênio Janus e no dissulfeto de molibdênio cria pequenas forças direcionais dentro do material, que aparecem como mudanças em seu padrão SHG”, disse Zhang. “Normalmente, o sinal SHG forma uma forma de ‘flor’ de seis pontas que reflete a simetria do cristal. Mas quando a luz atinge os átomos, essa simetria é quebrada – as pétalas do padrão encolhem de forma desigual.”
Optostrição e acoplamento de camadas
Os pesquisadores atribuíram a distorção SHG à optostrição, um processo no qual o campo eletromagnético da luz exerce uma força mecânica sobre os átomos. No material Janus, o forte acoplamento entre as camadas amplia esse efeito, permitindo que mesmo forças extremamente pequenas produzam deformação mensurável.
“Os materiais Janus são ideais para isso porque sua estrutura diferente cria um acoplamento aprimorado entre as camadas, o que os torna mais sensíveis a pequenas forças de luz – forças tão pequenas que são difíceis de medir diretamente, mas podemos detectá-las por meio de mudanças no padrão de sinal SHG, “Zhang disse.
Potencial para futura tecnologia óptica
Esta alta sensibilidade sugere que os materiais Janus podem se tornar componentes valiosos em uma ampla gama de tecnologias ópticas. Dispositivos que direcionam ou controlam a luz usando esse processo podem levar a chips fotônicos mais rápidos e com maior eficiência energética, uma vez que os circuitos baseados em luz produzem menos calor do que os eletrônicos convencionais. Propriedades semelhantes podem ser usadas para criar sensores afinados que detectam vibrações ou mudanças de pressão extremamente pequenas, ou para desenvolver fontes de luz ajustáveis para sistemas avançados de exibição e imagem.
“Este tipo de controle ativo pode ajudar a projetar chips fotônicos de próxima geração, detectores ultrassensíveis ou fontes de luz quântica – tecnologias que usam luz para transportar e processar informações em vez de depender de eletricidade”, disse Shenzi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia da Rice, e autor do estudo. Huang também é afiliado ao Smalley-Carl Institute, ao Rice Advanced Materials Institute e ao Ken Kennedy Institute.
Pequenos desequilíbrios estruturais com grandes efeitos
Ao demonstrar como a assimetria interna do Janus TMD cria novas formas de influenciar o fluxo de luz, a investigação mostra que pequenas diferenças estruturais podem desbloquear oportunidades tecnológicas significativas.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1943895), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (FA9550-22-1-0408), pela Fundação Welch (C-2144), pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0020042, DE-ACHC US12-02-020042). 12-02-02004, Office) foi apoiado por (FA2386-24-1-4049) e pelo Ministério da Educação de Taiwan. O conteúdo deste artigo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente a opinião oficial de agências e instituições financiadoras.
