Pesquisadores da Universidade Rice descobriram que certos semicondutores ultrafinos, conhecidos como dicalcogenetos de metais de transição (TMDs), podem mudar fisicamente sua rede atômica quando expostos à luz. Essa resposta recém-observada oferece uma maneira controlável de ajustar o comportamento e as propriedades desses materiais ultrafinos.
O fenômeno ocorre em um subtipo de TMDs chamado materiais Janus, nomeados em homenagem ao deus romano associado às transições. Sua sensibilidade à luz poderia apoiar tecnologias futuras que dependem de sinais ópticos em vez de correntes elétricas, incluindo chips de computador mais rápidos e mais frios, sensores altamente responsivos e sistemas optoeletrônicos flexíveis.
“Na óptica não linear, a luz pode ser remodelada para criar novas cores, pulsos mais rápidos ou interruptores ópticos que ligam e desligam sinais”, disse Kunyan Zhang, uma ex-aluna de doutorado de Rice e primeira autora do estudo. “Materiais bidimensionais, que têm apenas alguns átomos de espessura, possibilitam a construção dessas ferramentas ópticas em uma escala muito pequena.”
O que torna os Materiais Janus diferentes
Os TMDs são compostos por camadas empilhadas de um metal de transição, como molibdênio, e duas camadas de um elemento calcogênio, como enxofre ou selênio. Sua mistura de condutividade, forte absorção de luz e flexibilidade mecânica os tornou candidatos importantes para dispositivos eletrônicos e ópticos de próxima geração.
Dentro desse grupo, os materiais Janus se destacam porque suas camadas atômicas superior e inferior são compostas por diferentes elementos químicos, conferindo-lhes uma estrutura assimétrica. Esse desequilíbrio produz uma polaridade elétrica interna e aumenta sua sensibilidade à luz e a forças externas.
“Nosso trabalho explora como a estrutura dos materiais Janus afeta seu comportamento óptico e como a própria luz pode gerar uma força nos materiais,” disse Zhang.
Detectando o Movimento Atômico com Luz Laser
Para investigar esse comportamento, a equipe usou feixes de laser de várias cores em um material Janus TMD de duas camadas, composto por molibdênio enxofre selênio empilhado sobre disulfeto de molibdênio. Eles examinaram como ele altera a luz por meio da geração de segundo harmônico (SHG), um processo no qual o material emite luz a uma frequência duas vezes maior que a do feixe de entrada. Quando o laser de entrada correspondia às ressonâncias naturais do material, o padrão usual de SHG se distorceu, revelando que os átomos estavam se movendo.
“Descobrimos que iluminar o disulfeto de molibdênio e o molibdênio enxofre selênio Janus cria pequenas forças direcionais dentro do material, que aparecem como mudanças em seu padrão de SHG,” disse Zhang. “Normalmente, o sinal de SHG forma uma estrutura em ‘flor’ de seis pontas que espelha a simetria do cristal. Mas quando a luz empurra os átomos, essa simetria se quebra — as pétalas do padrão encolhem de maneira desigual.”
Optoestrutura e Acoplamento de Camadas
Os pesquisadores rastrearam a distorção do SHG até a optoestrutura, um processo no qual o campo eletromagnético da luz aplica uma força mecânica sobre os átomos. Nos materiais Janus, o forte acoplamento entre as camadas amplifica esse efeito, permitindo que forças extremamente pequenas produzam uma deformação mensurável.
“Materiais Janus são ideais para isso porque sua composição desigual cria um acoplamento aprimorado entre as camadas, o que os torna mais sensíveis às pequenas forças da luz — forças tão pequenas que é difícil medi-las diretamente, mas nós podemos detectá-las por meio de mudanças no padrão do sinal de SHG,” disse Zhang.
Potencial para Tecnologias Ópticas Futuras
Essa alta sensibilidade sugere que os materiais Janus podem se tornar componentes valiosos em uma ampla gama de tecnologias ópticas. Dispositivos que orientam ou controlam a luz usando esse mecanismo podem levar a chips fotônicos mais rápidos e energeticamente eficientes, uma vez que circuitos baseados em luz produzem menos calor do que eletrônicos tradicionais. Propriedades semelhantes podem ser usadas para construir sensores altamente ajustados que detectam vibrações ou mudanças de pressão extremamente pequenas, ou para desenvolver fontes de luz ajustáveis para displays avançados e sistemas de imagem.
“Esse controle ativo pode ajudar a projetar chips fotônicos de próxima geração, detectores ultrasensíveis ou fontes de luz quântica — tecnologias que usam luz para transportar e processar informações em vez de depender da eletricidade,” disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação e engenharia de materiais na Rice e coautor correspondente do estudo. Huang também está afiliado ao Instituto Smalley-Curl, ao Instituto de Materiais Avançados da Rice e ao Instituto Ken Kennedy.
Pequenos Desequilíbrios Estruturais com Grande Impacto
Ao demonstrar como a assimetria interna dos TMDs Janus cria novas maneiras de influenciar o fluxo de luz, o estudo mostra que pequenas diferenças estruturais podem desbloquear oportunidades tecnológicas significativas.
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2246564, 1943895), pelo Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0408), pela Welch Foundation (C-2144), pelo U.S. Department of Energy (DE‐SC0020042, DE-AC02-05CH11231), pelo U.S. Air Force Office of Scientific Research (FA2386-24-1-4049) e pelo Ministério da Educação de Taiwan. O conteúdo deste artigo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as visões oficiais das organizações e instituições financiadoras.
