Em um novo estudo publicado na Science Advances, pesquisadores da Rice University e colaboradores demonstraram uma forma forte de interferência entre fônons — as vibrações na estrutura de um material que constituem as menores unidades, ou quanta, de calor ou som nesse sistema. O fenômeno em que dois fônons com diferentes distribuições de frequência interferem entre si, conhecido como ressonância de Fano, foi duas ordens de magnitude maior do que qualquer outra já relatada.

“Embora esse fenômeno seja bem estudado para partículas como elétrons e fótons, a interferência entre fônons foi muito menos explorada”, disse Kunyan Zhang, ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice e autor principal do estudo. “Isso é uma oportunidade perdida, já que os fônons podem manter seu comportamento de onda por um longo tempo, tornando-os promissores para dispositivos estáveis e de alto desempenho.”

Ao mostrar que os fônons podem ser utilizados com a mesma eficácia que a luz ou os elétrons, o estudo abre caminho para uma nova geração de tecnologias baseadas em fônons. A principal inovação da equipe depende do uso de um metal bidimensional sobre uma base de carboneto de silício. Usando uma técnica chamada heteroepitaxia de confinamento, os pesquisadores intercalaram apenas algumas camadas de átomos de prata entre uma camada de grafeno e o carboneto de silício, produzindo uma interface firmemente ligada com propriedades quânticas notáveis.

“O metal 2D provoca e intensifica a interferência entre diferentes modos vibracionais no carboneto de silício, alcançando níveis recordes”, disse Zhang.

A equipe de pesquisa estudou como os fônons interferem entre si observando a forma de seu sinal na espectroscopia Raman, uma técnica que mede os modos vibracionais de um material. O espectro revelou uma forma de linha assimétrica acentuada e, em alguns casos, mostrou um mergulho completo, formando um padrão de antiressonância característico de interferência intensa.

O efeito provou ser altamente sensível às especificidades da superfície do carboneto de silício. A comparação entre três diferentes terminais de superfície do carboneto de silício revelou uma ligação clara entre cada superfície e sua forma de linha Raman única. Além disso, quando os pesquisadores introduziram uma única molécula de corante na superfície, a forma da linha espectral mudou dramaticamente.

“Essa interferência é tão sensível que pode detectar a presença de uma única molécula”, disse Zhang. “Ela possibilita a detecção de moléculas únicas sem rótulos, com uma configuração simples e escalável. Nossos resultados abrem um novo caminho para o uso de fônons em sensoriamento quântico e na detecção molecular de próxima geração.”

Explorando a dinâmica do efeito a baixas temperaturas, os pesquisadores confirmaram que a interferência derivou puramente de interações entre fônons e não de elétrons, marcando um caso raro de interferência quântica exclusivamente fônica. O efeito foi observado apenas no particular sistema de metal 2D/carboneto de silício utilizado no estudo e está ausente em metais em massa regulares. Isso se deve a caminhos de transição especiais e configurações de superfície possibilitadas pela camada de metal atômico.

O estudo também explorou a possibilidade de usar outros metais 2D, como gálio ou índio, para induzir efeitos similares. Ao ajustar a composição química dessas camadas intercaladas, os pesquisadores poderiam projetar interfaces personalizadas com propriedades quânticas sob medida.

“Comparado a sensores convencionais, nosso método oferece alta sensibilidade sem a necessidade de rótulos químicos especiais ou configurações complicadas de dispositivos”, disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência dos materiais e nanoengenharia da Rice e autor correspondente do estudo. “Essa abordagem baseada em fônons não apenas avança a detecção molecular, mas também abre possibilidades empolgantes em captação de energia, gerenciamento térmico e tecnologias quânticas, onde controlar vibrações é fundamental.”

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (2011839, 2246564, 1943895, 2230400), Air Force Office of Scientific Research (FA9550-22-1-0408), Welch Foundation (C-2144) e pela University of North Texas.