Assim como as ondas sobrepostas em um lago podem amplificar ou cancelar umas às outras, ondas de diversos tipos – incluindo luz, som e vibrações atômicas – podem interferir entre si. No nível quântico, esse tipo de interferência potencializa sensores de alta precisão e pode ser aproveitado para computação quântica.
Em um novo estudo publicado na Science Advances, pesquisadores da Universidade Rice e colaboradores demonstraram uma forma forte de interferência entre fônons – as vibrações na estrutura de um material que constituem as unidades mais pequenas, ou quanta, de calor ou som desse sistema. O fenômeno em que dois fônons com diferentes distribuições de frequência interferem entre si, conhecido como ressonância de Fano, foi duas ordens de magnitude maior do que qualquer relatório anterior.
“Embora esse fenômeno seja bem estudado para partículas como elétrons e fótons, a interferência entre fônons tem sido muito menos explorada,” disse Kunyan Zhang, ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice e primeiro autor do estudo. “Essa é uma oportunidade perdida, já que os fônons podem manter seu comportamento de onda por longos períodos, tornando-os promissores para dispositivos estáveis e de alto desempenho.”
Ao mostrar que fônons podem ser aproveitados de forma tão eficaz quanto luz ou elétrons, o estudo abre caminho para uma nova geração de tecnologias baseadas em fônons. A descoberta da equipe depende do uso de um metal bidimensional sobre uma base de carbeto de silício. Utilizando uma técnica chamada heteroepitaxia de confinamento, os pesquisadores intercalaram apenas algumas camadas de átomos de prata entre uma camada de grafeno e o carbeto de silício, produzindo uma interface fortemente ligada com propriedades quânticas notáveis.
“O metal 2D ativa e fortalece a interferência entre diferentes modos vibracionais no carbeto de silício, alcançando níveis recordes,” disse Zhang.
A equipe de pesquisa estudou como os fônons interferem entre si analisando a forma de seu sinal na espectroscopia Raman, uma técnica que mede os modos vibracionais de um material. O espectro revelou uma forma de linha assimétrica acentuada e, em alguns casos, mostrou um mergulho completo, formando um padrão de antitono característico da interferência intensa.
O efeito provou ser altamente sensível às especificidades da superfície do carbeto de silício. A comparação entre três diferentes terminações de superfície do carbeto de silício revelou uma ligação clara entre cada superfície e sua forma de linha Raman única. Além disso, quando os pesquisadores introduziram uma única molécula de corante na superfície, a forma da linha espectral mudou drasticamente.
“Essa interferência é tão sensível que pode detectar a presença de uma única molécula,” disse Zhang. “Ela possibilita a detecção de moléculas únicas sem rótulos e com um arranjo simples e escalável. Nossos resultados abrem um novo caminho para o uso de fônons em sensoriamento quântico e detecção molecular de próxima geração.”
Explorando a dinâmica do efeito em baixas temperaturas, os pesquisadores confirmaram que a interferência decorreu puramente de interações entre fônons e não de elétrons, marcando um caso raro de interferência quântica apenas de fônons. O efeito foi observado apenas no sistema particular de metal 2D/carbeto de silício utilizado no estudo e está ausente em metais em bloco normais. Isso se deve às vias de transição especiais e configurações de superfície possibilitadas pela camada de metal atômico fino.
O estudo também explorou a possibilidade de usar outros metais 2D, como gálio ou índio, para induzir efeitos semelhantes. Ao ajustar a composição química dessas camadas intercaladas, os pesquisadores poderiam projetar interfaces personalizadas com propriedades quânticas sob medida.
“Comparado a sensores convencionais, nosso método oferece alta sensibilidade sem a necessidade de rótulos químicos especiais ou arranjos de dispositivos complicados,” disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e de ciência e nanoengenharia de materiais na Rice e autor correspondente do estudo. “Essa abordagem baseada em fônons não só avança a detecção molecular, mas também abre possibilidades empolgantes em captura de energia, gerenciamento térmico e tecnologias quânticas, onde controlar vibrações é fundamental.”
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciência (2011839, 2246564, 1943895, 2230400), Escritório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA (FA9550-22-1-0408), Fundação Welch (C-2144) e Universidade do Texas do Norte.
