Jack Featherstone/OIST
Uma promissora e poderosa descoberta na engenharia poderá em breve permitir aos investigadores alterar as propriedades dos materiais através da excitação de eletrões para níveis de energia superiores ao normal.
Em física, a engenharia de Floquet envolve alterações nas propriedades de um material quântico induzidas por uma força motriz, como luz de elevada potência.
O efeito resultante provoca uma mudança no comportamento do material, introduzindo novos estados quânticos com propriedades que não ocorrem em condições normais. Dadas as suas aplicações promissoras, há muitos anos que a engenharia de Floquet merece o interesse dos investigadores.
Agora, uma equipa de cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e da Universidade de Stanford afirma ter desenvolvido um novo método para alcançar a física de Floquet, mais eficiente do que os métodos anteriores, que dependem da luz.
O método foi detalhado num artigo publicado na segunda-feira na Física da Natureza.
Alquimia do Século XXI
A nova abordagem da equipa aproveita o que se conhece por excitõesque se revelaram muito mais poderosos no acoplamento com materiais quânticos do que os métodos existentes “devido à forte interação de Coulomb, particularmente em materiais bidimensionais”, explica Keshav Daniinvestigador do OIST, no comunicado que anuncia a descoberta.
Por esta razão, diz Dani, os excitões “podem assim alcançar fortes efeitos de Floquet evitando os desafios colocados pela luz“.
A equipa afirma que este método oferece um meio inovador de explorar várias aplicações, que incluem “futuros dispositivos quânticos exóticos e os materiais que a engenharia de Floquet promete”.
Tais fenómenos únicos poderiam permitir aplicações na ciência dos materiais quase semelhantes à alquimiana medida em que o conceito de criar novos materiais simplesmente incidindo luz sobre eles soa mais a ficção científica do que à mais avançada engenharia do século XXI.
Engenharia de Floquet
No passado, os efeitos de Floquet têm-se mantido esquivos em laboratórioembora investigações ao longo dos anos tenham demonstrado o seu potencial, desde que possam ser alcançados em condições práticas.
Contudo, um fator limitante importante tem sido a dependência de luz intensa como força motriz primária, o que pode também conduzir a danos ou até à vaporização dos materiais, limitando assim resultados úteis, explica o O interrogatório.
Normalmente, a engenharia de Floquet concentra-se em alcançar tais efeitos sob condições quânticasque desafiam as nossas expectativas habituais de tempo e espaço. Quando os investigadores empregam semicondutores ou materiais cristalinos semelhantes como meio, os eletrões comportam-se de acordo com o que uma destas dimensões, o espaço, permite.
Isto deve-se à distribuição dos átomosque confina o movimento dos eletrões e, consequentemente, limita os seus níveis de energia. Tais condições representam apenas uma condição “periódica” a que os eletrões estão sujeitos.
Contudo, se uma luz poderosa incidir sobre o cristal a uma determinada frequência, representa uma força periódica adicionalembora agora na dimensão do tempo. A interação rítmica resultante entre a luz (ou seja, fotões) e os eletrões conduz a alterações adicionais na sua energia.
Ao controlar a frequência e a intensidade da luz utilizada como esta força periódica secundária, os eletrões podem ser levados a ter comportamentos únicosque também causam alterações no material que habitam durante o tempo em que permanecem excitados.
Da luz aos excitões
“Até agora, a engenharia de Floquet tem sido sinónimo de forças motrizes de luz”, diz Xing Zhuatualmente estudante de doutoramento no OIST e co-autor do artigo.
Contudo, como a luz se acopla mal com a matériaos investigadores têm estado limitados no passado a alcançar tais efeitos maioritariamente à escala do femtossegundo.
“Tais níveis elevados de energia tendem a vaporizar o material, e os efeitos são muito efémeros. Em contraste, a engenharia de Floquet excitónica requer intensidades muito mais baixas”, diz Zhu.
Segundo o Gianluca Stefanucciprofessor da Universidade de Roma Tor Vergata, e também coautor do estudo, os excitões são uma alternativa ideal aos fotões porque transportam energia auto-oscilante que pode afetar o material circundante a frequências que podem ser controladas através de afinação adequada.
“Como os excitões são criados a partir dos eletrões do próprio material, acoplam-se muito mais fortemente com o material do que a luz”, explica Stefanucci.
“E, crucialmente, é necessária significativamente menos luz para criar uma população de excitões suficientemente densa para servir como força periódica eficaz para a hibridização — que é o que observámos agora”, acrescenta.
No passado, a equipa do OIST conduziu investigação sobre excitões usando uma montagem especialmente concebida denominada TR-ARPESque significa “espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo e no ângulo”.
Durante as experiências, a equipa excitou um material semicondutor muito fino, de espessura atómica, com luz, enquanto registava os níveis de energia dos eletrões no seu interior, o que permitiu observar a manifestação dos efeitos de Floquet e, adicionalmente, medir sinais eletrónicos à escala do femtossegundo.
Significativamente, isto permitiu aos investigadores avaliar os efeitos de Floquet associados a fenómenos óticos independentemente dos relacionados com o comportamento excitónico.
“Foram necessárias dezenas de horas de aquisição de dados para observar réplicas de Floquet com luz”, afirmou Vivek PareekInvestigador Pós-Doutoral Presidencial no Instituto de Tecnologia da Califórnia e primeiro autor do estudo
Apesar da quantidade de dados necessária, a equipa conseguiu alcançar efeitos de Floquet excitónicos, confirma Pareek, “e com um efeito muito mais forte”.
A equipa afirma que os seus resultados provam que os efeitos de Floquet podem ser alcançados em tais condições e que podem ser gerados de forma fiável utilizando um meio mais poderoso (excitões, neste caso) do que apenas a luz pode proporcionar.
Isto abre caminho ao uso destas capacidades numa gama de aplicações que poderiam auxiliar o desenvolvimento de materiais e dispositivos quânticos úteis.
Segundo David Baconco-primeiro autor do estudo, a descoberta “abriu as portas à física Floquet aplicada“, uma conquista que é “muito entusiasmante, dado o seu forte potencial para criar e manipular diretamente materiais quânticos”.
“Ainda não temos a receita para isto“, acrescentou Bacon, “mas agora temos a assinatura espectral necessária para os primeiros passos práticos”.