Em um marco mundial, pesquisadores da Unidade de Espectroscopia em Femtossegundos do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) observaram diretamente a evolução dos elusivos excitons escuros em materiais atômicos finos, estabelecendo as bases para novas descobertas em tecnologias de informação clássicas e quânticas. Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications. O professor Keshav Dani, chefe da unidade, destaca a importância: “Os excitons escuros têm um grande potencial como portadores de informação, pois são inerentemente menos propensos a interagir com a luz e, portanto, menos suscetíveis à degradação de suas propriedades quânticas. No entanto, essa invisibilidade também os torna muito desafiadores de estudar e manipular. Com base em uma descoberta anterior no OIST em 2020, abrimos um caminho para a criação, observação e manipulação de excitons escuros.”
“No campo geral da eletrônica, manipula-se a carga do elétron para processar informações”, explica Xing Zhu, co-primeiro autor e estudante de doutorado na unidade. “No campo da spintrônica, exploramos o spin dos elétrons para transportar informações. Indo mais longe, na valleytrônica, a estrutura cristalina de materiais exclusivos nos permite codificar informações em estados de momento distintos dos elétrons, conhecidos como vales.” A capacidade de usar a dimensão do vale dos excitons escuros para carregar informações os posiciona como candidatos promissores para tecnologias quânticas. Os excitons escuros são por natureza mais resistentes a fatores ambientais, como o fundo térmico, do que a geração atual de qubits, potencialmente exigindo um resfriamento menos extremo e tornando-os menos propensos à decoerência, onde o estado quântico único se degrada.
Definindo paisagens de energia com excitons brilhantes e escuros
Na última década, progresso tem sido feito no desenvolvimento de uma classe de materiais semicondutores atômicos finos conhecidos como TMDs (dicalcogenetos de metais de transição). Assim como todos os semicondutores, os átomos nos TMDs estão alinhados em uma rede cristalina, que confina os elétrons a um nível específico (ou banda) de energia, como a banda de valência. Quando expostos à luz, os elétrons carregados negativamente são excitados para um estado de energia mais alto – a banda de condução – deixando para trás um buraco carregado positivamente na banda de valência. Os elétrons e buracos estão ligados por atração eletrostática, formando quasipartículas semelhantes a hidrogênio chamadas excitons. Se certas propriedades quânticas do elétron e do buraco forem compatíveis, ou seja, tiverem a mesma configuração de spin e ocuparem o mesmo ‘vale’ no espaço de momento (os mínimos de energia que eletrons e buracos podem ocupar na estrutura cristalina atômica), os dois se recombinam em um picosegundo (1ps = 10−12 segundo), emitindo luz no processo. Esses são os ‘excitons brilhantes.’
No entanto, se as propriedades quânticas do elétron e do buraco não se alinham, o elétron e o buraco são proibidos de se recombinar por conta própria e não emitem luz. Esses são caracterizados como ‘excitons escuros’. “Existem duas ‘espécies’ de excitons escuros,” explica o Dr. David Bacon, co-primeiro autor que agora está na University College London, “escuros em momento e escuros em spin, dependendo de onde as propriedades do elétron e do buraco estão em conflito. O desajuste nas propriedades não apenas impede a recombinação imediata, permitindo que eles existam por até vários nanosegundos (1ns = 10−9 segundo – uma escala de tempo muito mais útil), mas também torna os excitons escuros mais isolados das interações ambientais.”
“A única simetria atômica dos TMDs significa que, quando expostos a um estado de luz com polarização circular, pode-se criar seletivamente excitons brilhantes apenas em um vale específico. Este é o princípio fundamental da valleytrônica. No entanto, os excitons brilhantes rapidamente se tornam numerosos excitons escuros que podem potencialmente preservar a informação do vale. Qual espécie de excitons escuros está envolvida e em que medida podem sustentar a informação do vale não é claro, mas este é um passo fundamental na busca por aplicações valleytrônicas,” explica Dr. Vivek Pareek, co-primeiro autor e graduado do OIST que agora é um Pesquisador Pós-Doutoral Presidencial no California Institute of Technology.
Observando elétrons na escala de femtossegundos
Usando a configuração TR-ARPES (espectroscopia de fotoemissão resolvida em tempo e ângulo) de classe mundial do OIST, que inclui uma fonte de XUV (ultravioleta extrema) de mesa exclusiva, a equipe conseguiu rastrear as características de todos os excitons após a criação de excitons brilhantes em um vale específico em um semicondutor TMD ao longo do tempo, quantificando simultaneamente o momento, o estado de spin e os níveis populacionais de elétrons e buracos – essas propriedades nunca foram quantificadas simultaneamente antes.
As descobertas mostram que, dentro de um picosegundo, alguns excitons brilhantes são espalhados por fônons (vibrações quantizadas da rede cristalina) em diferentes vales de momento, tornando-se escuros em momento. Mais tarde, os excitons escuros em spin dominam, onde os elétrons mudaram de spin dentro do mesmo vale, persistindo em escalas de nanosegundos.
Com isso, a equipe superou o desafio fundamental de como acessar e rastrear excitons escuros, estabelecendo as bases para o campo da valleytrônica escura. Dr. Julien Madéo da unidade resume: “Graças à sofisticada configuração TR-ARPES do OIST, conseguimos acessar diretamente e mapear como e quais excitons escuros mantêm informações de vale de longa duração. Desenvolvimentos futuros para ler as propriedades dos vales dos excitons escuros desbloquearão amplas aplicações valleytrônicas escuras em sistemas de informação.”
