Quando organizados de maneiras específicas, materiais bidimensionais podem exibir efeitos quânticos incomuns e valiosos, como superconductividade e tipos exóticos de magnetismo. Compreender por que esses efeitos surgem e como controlá-los continua a ser um dos maiores desafios para físicos e engenheiros. Um novo estudo publicado na Nature Physics revelou uma propriedade anteriormente desconhecida que pode explicar como essas fases quânticas misteriosas se formam e evoluem.
Usando um método inédito de espectroscopia em terahertz (THz), os pesquisadores descobriram que pilhas finas de materiais 2D – comumente usados em laboratórios ao redor do mundo – podem criar naturalmente o que são chamados de cavidades. Esses pequenos espaços confinam tanto a luz quanto os elétrons em regiões ainda menores, alterando significativamente suas interações e comportamentos.
“Descobrimos uma camada oculta de controle em materiais quânticos e abrimos um caminho para moldar interações luz-matéria de maneiras que podem nos ajudar a entender fases exóticas da matéria e, em última análise, aproveitá-las para tecnologias quânticas futuras,” disse James McIver, professor assistente de física na Columbia e autor principal do artigo.
O trabalho tem suas origens em Hamburgo, onde McIver liderou um grupo de pesquisa no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD). O instituto faz parte do Centro Max Planck-Nova York sobre Fenômenos Quânticos Nonequilibrados, uma colaboração entre o MPSD, a Columbia, o Flatiron Institute e a Universidade de Cornell. Pesquisadores do Centro estudam como sistemas físicos estáveis respondem quando afastados do equilíbrio.
A equipe de McIver explora essas questões por meio da luz. “Os materiais 2D, com suas fascinantes propriedades macroscópicas, frequentemente se comportam como caixas pretas. Ao iluminar esses materiais, podemos literalmente esclarecer o comportamento oculto de seus elétrons, revelando detalhes que de outra forma permaneceriam invisíveis,” disse Gunda Kipp, estudante de doutorado no MPSD e primeira autora do artigo. Um obstáculo, no entanto, é que os comprimentos de onda de luz necessários para investigar materiais 2D são muito maiores do que os próprios materiais, que são mais finos que um fio de cabelo.
Para superar essa discrepância de escalas, os pesquisadores desenvolveram um espectroscópio do tamanho de um chip que comprime a luz THz – a faixa onde muitos efeitos quânticos ocorrem – de cerca de 1 milímetro para apenas 3 micrômetros. Esse design compacto tornou possível observar diretamente como os elétrons se movem dentro dos materiais 2D. Eles primeiro testaram sua abordagem usando grafeno, uma forma bem conhecida do carbono, para medir sua condutividade óptica.
O que encontraram foi inesperado: ondas estacionárias distintas.
“A luz pode se acoplar aos elétrons para formar quasipartículas híbridas luz-matéria. Essas quasipartículas se movem como ondas e, sob certas condições, podem se tornar confinadas, muito parecido com a onda estacionária em uma corda de guitarra que produz uma nota distinta,” explicou Hope Bretscher, pós-doutoranda do MPSD e co-primeira autora do artigo.
Em uma guitarra, as extremidades fixas da corda definem onde a onda pode se formar. Pressionar um dedo na corda encurta a onda, mudando o tom da nota. Em óptica, um processo semelhante ocorre quando dois espelhos aprisionam a luz entre eles, criando uma onda estacionária dentro do que os cientistas chamam de cavidade. Quando um material é colocado dentro dessa cavidade, a luz retida pode interagir repetidamente com ele, alterando suas propriedades eletrônicas.
No entanto, os pesquisadores descobriram que espelhos podem nem ser necessários.
“Descobrimos que as próprias bordas do material já atuam como espelhos,” disse Kipp. Com seu espectroscópio THz, observaram que correntes de elétrons excitados se refletem nas bordas para formar um tipo de quasipartícula híbrida luz-matéria chamada polaritônio plasmon.
O laboratório de McIver estudou um dispositivo composto por múltiplas camadas, cada uma podendo atuar como uma cavidade separada por algumas dezenas de nanômetros. Os plasmons que se formam em cada camada podem, por sua vez, interagir – muitas vezes de maneira intensa. “É como conectar duas cordas de guitarra; uma vez ligadas, a nota muda,” disse Bretscher. “No nosso caso, muda drasticamente.”
O próximo passo foi entender o que determina as frequências dessas quasipartículas e quão fortemente luz e matéria se acoplam. “Com o co-autor e pós-doutorando do MPSD Marios Michael, desenvolvemos uma teoria analítica que precisava apenas de um punhado de parâmetros geométricos da amostra para coincidir com as observações de nossos experimentos,” disse Kipp. “Com apenas um clique de um botão, nossa teoria pode extrair as propriedades de um material e nos ajudará a projetar e adaptar futuras amostras para obter propriedades específicas. Por exemplo, ao rastrear ressonâncias em função da densidade de cargas, temperatura ou campo magnético, podemos descobrir os mecanismos que impulsionam diferentes fases quânticas.”
Embora este estudo tenha se concentrado em plasmons, o novo espectroscópio THz em escala de chip poderia detectar outros tipos de quasipartículas oscilando em muitos materiais 2D diferentes. A equipe já está testando novas amostras em Hamburgo e Nova York.
“Todo este projeto foi um pouco de uma descoberta acidental. Não esperávamos ver esses efeitos de cavidade, mas estamos empolgados em usá-los para manipular fenômenos em materiais quânticos daqui para frente,” disse Bretscher. “E agora que temos uma técnica para visualizá-los, estamos intrigados para aprender como eles podem estar afetando outros materiais e fases.”
