Pesquisadores da Universidade Rice descobriram que certos semicondutores extremamente finos, conhecidos como dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), podem mudar fisicamente sua rede atômica quando expostos à luz. Essa nova resposta observada oferece uma maneira controlável de ajustar o comportamento e as propriedades desses materiais ultrafinos.
O fenômeno aparece em um subtipo de TMDs chamado materiais Janus, nomeado em homenagem ao deus romano associado a transições. Sua sensibilidade à luz pode apoiar tecnologias futuras que dependem de sinais ópticos em vez de correntes elétricas, incluindo chips de computador mais rápidos e frios, sensores altamente responsivos e sistemas optoeletrônicos flexíveis.
“Na óptica não linear, a luz pode ser reformulada para criar novas cores, pulsos mais rápidos ou interruptores ópticos que ligam e desligam sinais,” disse Kunyan Zhang, ex-aluna de doutorado da Rice e primeira autora do estudo. “Materiais bidimensionais, que têm apenas alguns átomos de espessura, tornam possível construir essas ferramentas ópticas em uma escala muito pequena.”
O Que Torna os Materiais Janus Diferentes
Os TMDs são formados por camadas empilhadas de um metal de transição, como molibdênio, e duas camadas de um elemento calcogênio, como enxofre ou selênio. Sua combinação de condutividade, forte absorção de luz e flexibilidade mecânica os tornam candidatos principais para dispositivos eletrônicos e ópticos de próxima geração.
Dentro desse grupo, os materiais Janus se destacam porque suas camadas atômicas superior e inferior são compostas de diferentes elementos químicos, conferindo-lhes uma estrutura assimétrica. Esse desequilíbrio produz uma polaridade elétrica embutida e aumenta sua sensibilidade à luz e a forças externas.
“Nosso trabalho explora como a estrutura dos materiais Janus afeta seu comportamento óptico e como a luz pode gerar uma força nesses materiais,” disse Zhang.
Detectando Movimento Atômico Com Luz Laser
Para investigar esse comportamento, a equipe utilizou feixes de laser de várias cores em um material TMD Janus de duas camadas composto de dissulfeto de molibdênio empilhado em disulfeto de molibdênio. Eles examinaram como isso altera a luz através da geração de harmônicos de segunda ordem (SHG), um processo no qual o material emite luz a uma frequência duas vezes maior do que a do feixe de entrada. Quando o laser correspondente igualava as ressonâncias naturais do material, o padrão usual de SHG se distorcia, revelando que os átomos estavam se movendo.
“Descobrimos que iluminar o dissulfeto de molibdênio e o dissulfeto de molibdênio Janus cria pequenas forças direcionais dentro do material, que se manifestam como mudanças em seu padrão de SHG,” disse Zhang. “Normalmente, o sinal de SHG forma uma forma de ‘flor’ de seis pontas que reflete a simetria do cristal. Mas quando a luz pressiona os átomos, essa simetria se quebra – as pétalas do padrão encolhem de maneira desigual.”
Optostricção e Acoplamento de Camadas
Os pesquisadores rastrearam a distorção do SHG até a optostricção, um processo no qual o campo eletromagnético da luz aplica uma força mecânica nos átomos. Nos materiais Janus, o forte acoplamento entre camadas amplifica esse efeito, permitindo que mesmo forças extremamente pequenas produzam deformação mensurável.
“Os materiais Janus são ideais para isso porque sua composição desigual cria um acoplamento aprimorado entre as camadas, o que os torna mais sensíveis às pequenas forças da luz – forças tão pequenas que é difícil medi-las diretamente, mas podemos detectá-las através de mudanças no padrão do sinal de SHG,” disse Zhang.
Potencial para Futuras Tecnologias Ópticas
Essa alta sensibilidade sugere que os materiais Janus poderiam se tornar componentes valiosos em uma ampla gama de tecnologias ópticas. Dispositivos que orientam ou controlam a luz usando esse mecanismo podem levar a chips fotônicos mais rápidos e energeticamente eficientes, uma vez que circuitos baseados em luz produzem menos calor do que a eletrônica tradicional. Propriedades semelhantes poderiam ser utilizadas para construir sensores ajustados que detectam vibrações ou mudanças de pressão extremamente pequenas, ou para desenvolver fontes de luz ajustáveis para displays avançados e sistemas de imagem.
“Esse controle ativo poderia 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 da eletricidade,” disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice e um dos autores correspondentes do estudo. Huang também está afiliado ao Instituto Smalley-Curl, ao Instituto Avançado de Materiais da Rice e ao Instituto Ken Kennedy.
Pequenos Desequilíbrios Estruturais com Grande Impacto
Ao demonstrar como a assimetria interna dos TMDs Janus cria novas maneiras de influenciar o fluxo de luz, o estudo mostra que pequenas diferenças estruturais podem desbloquear oportunidades tecnológicas significativas.
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciências (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-AC02-05CH11231), pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA (FA2386-24-1-4049) e pelo Ministério da Educação de Taiwan. O conteúdo deste artigo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não necessariamente representa as opiniões oficiais das organizações e instituições financiadoras.
