Pesquisadores do ICFO descobriram um novo método para controlar vales de elétrons em materiais a granel, potencialmente revolucionando a forma como a informação é codificada e manipulada na computação e nas tecnologias quânticas. Ilustração artística do campo de trevo incidente no material a granel MoS2.
Os elétrons em materiais sólidos estão restritos a níveis de energia específicos, conhecidos como “bandas”. O espaço entre essas bandas, as energias proibidas, são conhecidas como “lacunas de bandas”. Ambos juntos constituem a “estrutura de banda” do material, que é uma característica única de cada material específico.
Quando os físicos traçam a estrutura de bandas, geralmente veem que as curvas resultantes se assemelham a montanhas e vales. Na verdade, o termo técnico para um máximo ou mínimo de energia local nas bandas é chamado de “vale”, e o campo que estuda e explora como os elétrons no material mudam de um vale para outro é denominado “valleytrônica”.
Na eletrônica de semicondutores padrão, a carga elétrica dos elétrons é a propriedade mais utilizada para codificar e manipular informações. Mas estas partículas têm outras propriedades que também poderiam ser utilizadas para o mesmo fim, como o vale em que se encontram. Na última década, o principal objectivo da valetrónica tem sido alcançar o controlo da população do vale (também conhecido como polarização do vale). ) em materiais. Tal conquista poderia ser usada para criar portas e bits clássicos e quânticos, algo que poderia realmente impulsionar o desenvolvimento da computação e do processamento de informações quânticas.
As tentativas anteriores apresentaram várias desvantagens. Por exemplo, a luz usada para manipular e alterar a polarização do vale tinha que ser ressonante, ou seja, a energia dos seus fótons (as partículas que constituem a luz) tinha que corresponder exatamente à energia do band gap daquele material específico. Qualquer pequeno desvio reduzia a eficiência do método, portanto, desde que cada material tivesse seus próprios band gaps, generalizar o mecanismo proposto parecia algo fora de alcance. Além disso, este processo só foi alcançado para estruturas monocamadas (materiais 2D, apenas uma
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Esquema do efeito de polarização de vale, onde o campo de trevo incidente (em roxo) causa polarização de vale no material a granel MoS2. Este efeito pode ser controlado girando o campo em relação ao material. Crédito: ICFO
Agora, os pesquisadores do ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska e Dr. Lenard Vamos, liderados pelo Prof. ICREA Jens Biegert, em colaboração com pesquisadores do Max-Born-Institute, do Instituto Max-Planck para a Ciência da Luz e do Instituto de A Ciencia de Materiales de Madrid encontrou um novo método universal para induzir a polarização do vale em materiais a granel centrossimétricos. A descoberta, publicada em Natureza, abre a possibilidade de controlar e manipular a população do vale sem ser restringido pelo material específico escolhido. Ao mesmo tempo, o método pode ser utilizado para obter uma caracterização mais detalhada de cristais e materiais 2D.
A polarização Valley em materiais a granel é possível
A aventura começou com o grupo experimental liderado pelo Prof. do ICREA no ICFO Jens Biegert que inicialmente queria produzir experimentalmente a polarização de vale usando seu método particular em materiais 2D, seguindo as linhas do que havia sido teoricamente provado em um artigo teórico anterior de Álvaro Jiménez, Rui Silva e Misha Ivanov. Para configurar o experimento, a medição inicial foi tentada em massa MoS2 (um material a granel é feito de muitas monocamadas empilhadas juntas) com o resultado surpreendente de que eles viram a assinatura da polarização do vale. “Quando começamos a trabalhar neste projeto, nossos colaboradores teóricos nos disseram que mostrar a polarização do vale em materiais a granel era bastante impossível”, explica Julita Poborska.
A equipe teórica também observa como, no início, seu modelo era adequado apenas para camadas 2D únicas. “À primeira vista, parecia que adicionar mais camadas dificultaria a seleção de vales específicos na amostra. Mas após os primeiros resultados experimentais, ajustamos a simulação para materiais a granel e validamos as observações surpreendentemente bem. Nem tentamos encaixar nada. Foi assim que surgiu”, acrescenta o Prof. Misha Ivanov, o líder teórico. No final, “descobriu-se que sim, é possível realmente polarizar em vale materiais a granel que são simétricos centrais, devido às condições de simetria”, conclui Poborska.
Pesquisadores do ICFO. Da esquerda para a direita: Dr. Lenard Vamos, Julita Poborska, Igor Tyulnev e Prof. ICREA Jens Biegert. Crédito: ICFO
Como explica Igor Tyulnev, primeiro autor do artigo: “Nossa experiência consistiu em criar um pulso de luz intenso com uma polarização que se ajustasse a essa estrutura interna. O resultado foi o chamado “campo de trevo”, cuja simetria correspondia às sub-redes triangulares que constituem materiais hexagonais heteroatômicos.”
Este campo forte de simetria correspondente quebra a simetria de espaço e tempo dentro do material e, mais importante, a configuração resultante depende da orientação do campo do trevo em relação ao material. Portanto, “simplesmente girando o campo de luz incidente, fomos capazes de modular a polarização do vale”, conclui Tyulnev, uma grande conquista na área e uma confirmação de uma nova técnica universal que pode controlar e manipular os vales de elétrons em materiais a granel.
O processo experimental
O experimento pode ser explicado em três etapas principais: Primeiro, a síntese do campo do trevo; depois a sua caracterização; e, finalmente, a produção real da polarização do vale.
Os pesquisadores enfatizam a precisão incrivelmente alta que o processo de caracterização exigia, já que o campo do trevo é composto não apenas por um, mas por dois campos ópticos combinados de forma coerente. Um deles deveria ser polarizado circularmente em uma direção, e o outro precisava ser o segundo harmônico do primeiro feixe, polarizado com lateralidade oposta. Eles sobrepuseram esses campos uns aos outros, de modo que a polarização total no tempo traçasse a forma desejada do trevo.
Três anos após as primeiras tentativas experimentais, Igor Tyulnev está entusiasmado com a recente Natureza publicação. A aparição numa revista tão prestigiada reconhece o novo método universal que, como afirma, “pode ser usado não apenas para controlar as propriedades de uma ampla variedade de produtos químicos
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Como observa o Prof. ICREA do ICFO Jens Biegert: “Nosso método pode fornecer um ingrediente importante para projetar materiais energeticamente eficientes para armazenamento eficiente de informações e troca rápida. Isso atende à necessidade premente de dispositivos de baixo consumo de energia e maior velocidade computacional. Não posso prometer que o que fornecemos seja A solução, mas é provavelmente uma solução para este grande desafio.”
Referência: “Valleytronics in bulk MoS2 com um campo óptico topológico” por Igor Tyulnev, Álvaro Jiménez-Galán, Julita Poborska, Lenard Vamos, Philip St. J. Russell, Francesco Tani, Olga Smirnova, Misha Ivanov, Rui EF Silva e Jens Biegert , 24 de abril de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07156-y
https://w3b.com.br/revolucionando-a-computacao-com-valleytronics/?feed_id=5307&_unique_id=664a712eaba71