Um grupo de pesquisa na City University of New York e na University of Texas at Austin encontrou um método para fazer excitons escuros, uma classe de estados de luz previamente não vistos, emitir luz brilhante e ser controlados com precisão em escala nanométrica. O estudo, publicado em 12 de novembro na Nature Photonics, aponta para tecnologias futuras que podem operar mais rápido, consumir menos energia e encolher para tamanhos ainda menores.
Excitons escuros se formam em materiais semicondutores ultrafinos e, normalmente, permanecem indetectáveis porque emitem apenas luz fraca. Mesmo assim, os cientistas os consideram promissores para informação quântica e fotônica avançada devido à sua interação incomum com a luz, à sua estabilidade por períodos relativamente longos e à menor interferência de seu entorno, o que ajuda a reduzir a decoerência.
A Amplificação de Excitons Escuros com Design em Escala Nanométrica
Para trazer esses estados ocultos à luz, os pesquisadores criaram uma pequena cavidade óptica construída a partir de nanotubos de ouro combinados com uma única camada de diseleneto de tungstênio (WSe2), um material com apenas três átomos de espessura. Esta estrutura aumentou o brilho dos excitons escuros em um fator extraordinário de 300.000, tornando-os claramente observáveis e permitindo que seu comportamento fosse controlado com precisão.
“Este trabalho mostra que podemos acessar e manipular estados de luz-matéria que antes estavam fora de alcance,” disse o investigador principal Andrea Alù, professor distinto e Einstein da Física no CUNY Graduate Center e diretor fundador da Iniciativa de Fotônica no Advanced Science Research Center do CUNY Graduate Center (CUNY ASRC). “Ao ativar e desativar esses estados ocultos à vontade e controlá-los com resolução em escala nanométrica, abrimos oportunidades empolgantes para avançar de forma disruptiva tecnologias ópticas e quânticas de próxima geração, incluindo para sensoriamento e computação.”
Controle Elétrico e Magnético de Estados Quânticos Ocultos
A equipe também demonstrou que esses excitons escuros podem ser alternados e ajustados usando campos elétricos e magnéticos. Esse nível de controle poderia apoiar novos designs para fotônica em chip, detectores altamente sensíveis e comunicação quântica segura. É importante ressaltar que o método preserva as características originais do material, ao mesmo tempo que alcança melhorias recordes no acoplamento luz-matéria.
“Nosso estudo revela uma nova família de excitons escuros com spin proibido que nunca haviam sido observados antes,” disse o autor principal Jiamin Quan. “Esta descoberta é apenas o começo — abre um caminho para explorar muitos outros estados quânticos ocultos em materiais 2D.”
Resolvendo um Debate em Plasmonica
Os resultados também abordam uma questão de longa data sobre se estruturas plasmonicas podem aumentar os excitons escuros sem alterar sua natureza fundamental quando colocadas em proximidade. Os pesquisadores resolveram isso ao projetar uma heteroestrutura plasmonica-exitônica feita com camadas de nitreto de boro com espessura nanométrica, que se mostraram essenciais para revelar os novos excitons escuros identificados.
O trabalho recebeu apoio do Air Force Office of Scientific Research, do Office of Naval Research e da National Science Foundation.