Esse conceito pode parecer fantasioso, mas está no cerne de uma área emergente da física conhecida como engenharia de fluxos. Os pesquisadores nesta área estudam como influências repetidas, como a luz cuidadosamente ajustada, podem remodelar temporariamente a maneira como os elétrons se comportam dentro de um material. Quando isso acontece, uma substância conhecida como um semicondutor pode assumir brevemente propriedades incomuns, incluindo comportamentos tipicamente associados a supercondutores.
Embora a teoria básica por trás da física Floquet remonte a uma proposta de 2009 de Oka e Aoki, as evidências experimentais têm sido ilusórias. Na última década, apenas um pequeno número de experimentos demonstrou com sucesso um claro efeito Floquet. Uma grande limitação é a necessidade de luz muito intensa. Esses altos níveis de energia chegam perto de destruir o material, mas ainda produzem apenas pequenas mudanças.
Excitons oferecem uma alternativa mais eficiente
Os investigadores identificaram agora uma nova forma promissora de obter o efeito Floquet sem depender de condições de luz tão extremas. Uma equipe global liderada pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e pela Universidade de Stanford mostrou que os excitons podem conduzir esses efeitos de forma muito mais eficiente do que a luz sozinha. Seus resultados foram publicados na Nature Physics.
“Os excitões são muito mais fortes do que os fotões na matéria devido à forte interacção de Coulomb, especialmente na matéria 2D,” disse o professor Keshav Dani da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundos do OIST, “e podem assim alcançar o forte efeito Floquet para evitar os desafios colocados pela luz.” Com isso, temos um novo caminho de materiais e caminhos potenciais que podem melhorar os materiais futuros que a Floquet Engineering promete.”
Esta abordagem aponta para um novo caminho para controlar materiais quânticos e, ao mesmo tempo, minimizar o risco de danos.
Como a Floquet Engineering muda a matéria quântica
A engenharia Floket é vista como uma forma potencial de criar materiais quânticos personalizados a partir de semicondutores comuns. O conceito é baseado em um princípio físico conhecido. Quando um sistema experimenta um efeito repetitivo, sua resposta pode ser mais complexa do que repetitiva. Um exemplo comum é o balanço de um playground, onde o balanço é alto, embora o movimento seja rítmico devido a choques cronometrados.
Na matéria quântica, os elétrons já experimentam uma estrutura repetitiva porque os átomos estão dispostos em uma rede cristalina ordenada. Esta repetição espacial confina o elétron a certos níveis de energia, conhecidos como bandas. Quando a luz com uma certa frequência interage com o cristal, introduz um segundo efeito de repetição que se desdobra ao longo do tempo. À medida que os fótons interagem ressonantemente com os elétrons, as bandas de energia permitidas mudam.
Ajustando cuidadosamente a frequência e a intensidade da luz, os elétrons podem ocupar temporariamente a nova banda de energia híbrida. Essas mudanças afetam a forma como os elétrons se movem e interagem, o que altera as propriedades gerais do material. Quando a luz é apagada, o material retorna ao seu estado original. Durante a interação, no entanto, os pesquisadores podem adaptar efetivamente os materiais com novos comportamentos quânticos.
Por que a visão baseada na luz é pequena?
“Até agora, a engenharia Flocat tem sido sinônimo de acionamentos leves”, disse Jing Zhu, estudante de doutorado na OIST. “Mas embora estes sistemas tenham sido fundamentais para provar a existência do efeito Floquet, os pares de luz têm pouca importância, o que significa que frequências muito altas, muitas vezes na escala de femtossegundos, são necessárias para alcançar a hibridização. Esses altos níveis de energia vaporizam o material, e os efeitos têm vida muito curta. Em contraste, são necessários baixos excitons do motor.”
Este desafio retardou o progresso em direção à aplicação prática.
O que são excitons e por que são importantes?
Os excitons são criados dentro de um semicondutor quando os elétrons absorvem energia e saltam do estado de repouso na banda de valência para um estado de energia mais elevado na banda de condução. Este processo deixa para trás um buraco carregado positivamente. O elétron e o buraco permanecem ligados como uma quasipartícula de vida curta até que o elétron retorne e emita luz.
Como os excitons se originam dos elétrons do próprio material, eles interagem muito mais fortemente com a estrutura circundante do que a luz externa. Eles também carregam energia oscilante de sua excitação inicial, que afeta os elétrons próximos a uma frequência controlável.
“Dada pela excitação primária, os excitons carregam energia auto-oscilante, que afeta os elétrons que cercam o material em frequências ajustáveis. Como os excitons são criados a partir dos elétrons do material, eles são muito mais fortemente acoplados ao material do que a luz. E o mais importante, é necessária significativamente menos luz para criar uma população de excitons que seja suficientemente funcional para atuar para que possamos nos hidratar suficientemente. Agora observa Tor Vergata, da Universidade de Roma. Coautor, Professor Gianluca Stefanucci explica.
Capturando o efeito por meio de espectroscopia avançada
Este avanço baseia-se em muitos anos de pesquisa de excitons no OIST e no desenvolvimento de um poderoso sistema TR-ARPES (espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo e no ângulo).
Para separar os efeitos da luz dos excitons, a equipe estudou um semicondutor atomicamente fino. Eles primeiro observaram mudanças na estrutura da banda eletrônica diretamente pela aplicação de um forte drive óptico (isto é, leve), confirmando o comportamento esperado do Floquet. Eles então reduziram a intensidade da luz em uma ordem de grandeza e mediram a resposta eletrônica após 200 femtossegundos. Este tempo permite isolar a contribuição excitônica.
“Os experimentos falam por si”, disse o Dr. Vivek Parekh, formado pelo OIST e agora pós-doutorado presidencial no Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Levamos algumas horas de aquisição de dados para observar os flocos com luz, mas cerca de duas horas para adquirir flocos excitônicos – e efeitos ainda mais fortes.”
Rumo ao design prático de materiais quânticos
Os resultados mostram que o efeito Floquet não se limita às técnicas baseadas em luz. Eles podem ser feitos de forma confiável usando outras partículas bosônicas além dos fótons. A engenharia Excitonic Floquet requer muito menos energia do que os métodos ópticos e abre a porta para um conjunto de ferramentas mais amplo.
Em princípio, efeitos semelhantes podem ser alcançados usando fônons (usando vibrações sonoras), plasmons (usando elétrons flutuantes), magnons (usando campos magnéticos) e outras excitações. Juntas, essas possibilidades aproximam a engenharia Floquet do uso prático e da criação confiável de novos materiais e dispositivos quânticos.
Co-primeiro autor do estudo, David Bacon, ex-pesquisador do OIST agora na University College London, disse:”Abrimos a porta para a física Floket aplicada para diferentes tipos de bósons. Isso é muito emocionante por causa do poderoso potencial para criar e manipular diretamente materiais quânticos. Ainda não temos a receita, mas precisamos dela para a primeira receita. Passos práticos.”
