Um grupo de pesquisa da City University de Nova York e da Universidade do Texas em Austin descobriu um método para fazer com que excitons escuros, uma classe de estados de luz nunca antes vistos, emitam luz brilhante e sejam controlados com precisão em nanoescala. O estudo, publicado em 12 de novembro Fotônica da NaturezaApontando para tecnologias futuras que podem funcionar mais rapidamente, utilizar menos energia e até encolher para tamanhos menores.
Os excitons escuros são criados em semicondutores ultrafinos e geralmente são indetectáveis porque emitem apenas luz fraca. No entanto, os cientistas há muito que os consideram promissores para a informação quântica e para a fotónica avançada porque interagem com a luz de formas invulgares, permanecem estáveis durante períodos de tempo relativamente longos e sofrem menos perturbações do seu entorno, o que ajuda a reduzir a decoerência.
Amplificando excitons escuros com design em nanoescala
Para trazer à luz esses estados ocultos, os pesquisadores criaram uma pequena cavidade óptica feita de nanotubos de ouro combinados com uma única camada de disseleneto de tungstênio (WSe2), um material com apenas três átomos de espessura. Esta estrutura aumentou o brilho dos excitons escuros por um fator notável de 300.000, tornando-os claramente observáveis e permitindo um controle preciso do seu comportamento.
“Este trabalho mostra que podemos acessar e manipular estados de matéria luminosa que antes estavam fora de alcance”, disse a investigadora principal Andrea Alu, Distinta e Einstein Professora de Física no CUNY Graduate Center e diretora fundadora da Iniciativa Fotônica no Centro de Pesquisa Científica Avançada do CUNY Graduate Center (CUNY Graduate Center). “Ao ativar e desativar esses estados ocultos à vontade e controlá-los com resolução em nanoescala, abrimos oportunidades interessantes para avançar de forma disruptiva em tecnologias ópticas e quânticas de próxima geração, incluindo detecção e computação.”
Controle elétrico e magnético de estados quânticos ocultos
A equipe também mostrou que esses excitons escuros podem ser trocados e ajustados usando campos elétricos e magnéticos. Esse nível de controle pode suportar novos projetos de fotônica no chip, detectores altamente sensíveis e comunicações quânticas seguras. É importante ressaltar que o método preserva as propriedades originais do material, ao mesmo tempo que alcança melhorias recordes no acoplamento óptico-material.
“Nosso estudo revela uma nova família de excitons escuros com rotação proibida que nunca foram vistos antes”, disse o primeiro autor Xiamin Quan. “Esta descoberta é apenas o começo – abre um caminho para explorar muitos outros estados quânticos ocultos em materiais 2D.”
Plasmônica é uma solução controversa
As descobertas também abordam a questão de longa data de se as estruturas plasmônicas podem aumentar os excitons escuros sem alterar sua natureza fundamental quando estão próximos. Os pesquisadores resolveram isso projetando uma heteroestrutura plasmônica-excitônica feita com camadas de nitreto de boro com espessura nanométrica, que se mostrou necessária para liberar os excitons escuros recém-identificados.
O trabalho recebeu apoio do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, do Escritório de Pesquisa Naval e da National Science Foundation.
