Pesquisadores da Universidade Estadual de Michigan descobriram como usar um laser rápido para agitar átomos de uma maneira que muda temporariamente o comportamento do material anfitrião. Essa abordagem inovadora pode levar a eletrônicos menores e mais eficientes – como smartphones – no futuro.
Tyler Cocker, professor associado na Faculdade de Ciências Naturais, e Jose L. Mendoza-Cortes, professor assistente nas faculdades de Engenharia e Ciências Naturais, combinaram os lados experimental e teórico da mecânica quântica – o estudo das estranhas maneiras como os átomos se comportam em uma escala muito pequena – para expandir os limites do que os materiais podem fazer para melhorar as tecnologias eletrônicas que usamos todos os dias.
“Essa experiência foi um lembrete de como a ciência realmente é, porque encontramos materiais que estão funcionando de maneiras que não esperávamos”, disse Cocker. “Agora, queremos olhar para algo que será tecnologicamente interessante para as pessoas no futuro.”
Usando um material chamado ditelureto de tungstênio, ou WTe2, que é composto por uma camada de átomos de tungstênio (W) sandwiched entre duas camadas de átomos de telúrio (Te), a equipe de Cocker conduziu uma série de experimentos colocando este material sob um microscópio especializado que eles construíram. Enquanto os microscópios são tipicamente usados para observar coisas que são difíceis de ver a olho nu, como células individuais, o microscópio de tunelamento por varredura de Cocker consegue mostrar átomos individuais na superfície de um material. Ele faz isso movendo uma ponta de metal extremamente afiada sobre a superfície, “sentindo” os átomos através de um sinal elétrico, como se estivesse lendo em braille. Ao observar os átomos na superfície de WTe2, Cocker e sua equipe usaram um laser super-rápido para criar pulsos de luz terahertz que se moviam a velocidades de centenas de trilhões de vezes por segundo. Esses pulsos terahertz foram focados na ponta. Na ponta, a intensidade dos pulsos foi aumentada enormemente, permitindo que os pesquisadores agitassem a camada superior de átomos diretamente abaixo da ponta e gentilmente desalinhadas essa camada em relação às camadas restantes abaixo dela. Pense nisso como uma pilha de papéis com a folha superior ligeiramente torta.
Enquanto os pulsos de laser iluminavam a ponta e WTe2, a camada superior do material se comportava de maneira diferente, exibindo novas propriedades eletrônicas não observadas quando o laser estava desligado. Cocker e sua equipe perceberam que os pulsos terahertz, junto com a ponta, poderiam ser usados como um interruptor em escala nanométrica para mudar temporariamente as propriedades elétricas de WTe2, preparando o terreno para a próxima geração de dispositivos. O microscópio de Cocker podia até ver os átomos se movendo durante esse processo e fotografar os estados únicos de “ligado” e “desligado” do interruptor que haviam criado.
Quando Cocker e Mendoza-Cortes perceberam que estavam trabalhando em projetos semelhantes a partir de perspectivas diferentes, o lado experimental de Cocker se uniu ao lado teórico de mecânica quântica de Mendoza. A pesquisa de Mendoza-Cortes se concentra na criação de simulações computacionais. Comparando os resultados dos cálculos quânticos de Mendoza com os experimentos de Cocker, ambos os laboratórios obtiveram os mesmos resultados – de forma independente e usando ferramentas diferentes.
“Nossa pesquisa é complementar; são as mesmas observações, mas através de lentes diferentes”, disse Mendoza-Cortes. “Quando nosso modelo coincidiu com as mesmas respostas e conclusões que eles encontraram em seus experimentos, temos uma melhor compreensão do que está acontecendo.”
O laboratório de Mendoza descobriu computacionalmente que as camadas de WTe2 se movem 7 picômetros enquanto estão se agitando, o que é difícil de observar apenas pelo microscópio especializado. Além disso, puderam confirmar que as frequências nas quais os átomos se agitam coincidem entre a experiência e a teoria, mas os cálculos quânticos podem indicar para qual direção eles se movem e em quanto.
“O movimento ocorre apenas na camada mais superior, então é muito localizado”, disse Daniel Maldonado-Lopez, um estudante de pós-graduação no quarto ano no laboratório de Mendoza. “Isso pode potencialmente ser aplicado na construção de eletrônicos mais rápidos e menores.”
Cocker e Mendoza-Cortes esperam que essa pesquisa leve ao uso de novos materiais, custos mais baixos, velocidades mais rápidas e maior eficiência energética para futuras tecnologias de telefones e computadores.
“Quando você pensa sobre seu smartphone ou laptop, todos os componentes que estão lá são feitos de um material”, disse Stefanie Adams, uma estudante de pós-graduação no quarto ano no laboratório de Cocker. “Em algum momento, alguém decidiu que aquele seria o material utilizado.”
A pesquisa foi publicada na Nature Photonics e contou com o apoio de recursos e serviços computacionais fornecidos pelo Instituto de Pesquisa Cibernética da Universidade Estadual de Michigan.
Por que isso é importante:
- Agitar átomos em novos materiais quânticos pode levar a eletrônicos mais eficientes que são menores e mais rápidos.
- Esses novos materiais têm propriedades surpreendentes e podem ser elementos chave para computadores quânticos de próxima geração.
