“No campo geral da eletrônica, manipula-se a carga do elétron para processar informações,” explica Xing Zhu, co-primeiro autor e estudante de doutorado na unidade. “No campo da spintrônica, exploramos o spin dos elétrons para transportar informações. Indo mais além, na valleytrônica, a estrutura cristalina de materiais únicos nos permite codificar informações em estados de momento distintos dos elétrons, conhecidos como vales.” A capacidade de usar a dimensão do vale dos excitons escuros para transportar informações os posiciona como candidatos promissores para tecnologias quânticas. Os excitons escuros são, por natureza, mais resistentes a fatores ambientais como o fundo térmico do que a geração atual de qubits, potencialmente exigindo resfriamento menos extremo e tornando-os menos propensos à decoerência, onde o estado quântico único se degrada.

Definindo paisagens de energia com excitons brilhantes e escuros

Nos últimos dez anos, progressos têm sido feitos no desenvolvimento de uma classe de materiais semicondutores atomicamente finos conhecidos como TMDs (dicalcogenetos de metais de transição). Como todos os semicondutores, os átomos nos TMDs estão alinhados em uma rede cristalina, que confina os elétrons a um nível de energia específico (ou banda), como a banda de valência. Quando expostos à luz, os elétrons carregados negativamente são excitados a um estado de energia mais alto – a banda de condução – deixando para trás um buraco carregado positivamente na banda de valência. Os elétrons e buracos são ligados pela atração eletrostática, formando quasipartículas semelhantes ao hidrogênio chamadas excitons. Se certas propriedades quânticas do elétron e do buraco coincidirem, ou seja, se tiverem a mesma configuração de spin e habitarem o mesmo ‘vale’ no espaço de momento (os mínimos de energia que elétrons e buracos podem ocupar na estrutura cristalina atômica), os dois recombinam em uma picosegundo (1ps = 10⁻¹² segundos), emitindo luz no processo. Estes são ‘excitons brilhantes’.

No entanto, se as propriedades quânticas do elétron e do buraco não coincidem, o elétron e o buraco são impedidos de recombinar por conta própria e não emitem luz. Esses são caracterizados como ‘excitons escuros’. “Existem duas ‘espécies’ de excitons escuros,” explica o Dr. David Bacon, co-primeiro autor que agora está na University College London, “momentum-escuros e spin-escuros, dependendo de onde as propriedades do elétron e do buraco estão em conflito. A discrepância nas propriedades não só impede a recombinação imediata, permitindo que eles existam por até vários nanosegundos (1ns = 10⁻⁹ segundos – uma escala de tempo muito mais útil), mas também torna os excitons escuros mais isolados das interações ambientais.”

“A simetria atômica única dos TMDs significa que, quando expostos a uma luz com polarização circular, é possível criar seletivamente excitons brilhantes apenas em um vale específico. Este é o princípio fundamental da valleytrônica. No entanto, excitons brilhantes rapidamente se transformam em numerosos excitons escuros que podem potencialmente preservar as informações do vale. Quais espécies de excitons escuros estão envolvidas e em que grau podem sustentar as informações do vale não está claro, mas este é um passo chave na busca por aplicações valleytrônicas,” explica o Dr. Vivek Pareek, co-primeiro autor e ex-aluno do OIST que agora é um fellow pós-doutoral presidencial no California Institute of Technology.

Observando elétrons na escala de femtosegundos

Utilizando o setup TR-ARPES (espectroscopia de fotoemissão resolvida em tempo e ângulo) de ponta do OIST, que inclui uma fonte XUV (ultravioleta extremo) proprietária em mesa, a equipe conseguiu rastrear as características de todos os excitons após a criação de excitons brilhantes em um vale específico em um semicondutor TMD ao longo do tempo, quantificando simultaneamente o momento, o estado de spin e os níveis populacionais de elétrons e buracos – essas propriedades nunca foram quantificadas simultaneamente antes.

Os achados mostram que, dentro de uma picosegundo, alguns excitons brilhantes são espalhados por fônons (vibrações quantizadas da rede cristalina) em diferentes vales de momento, tornando-se momentum-escuros. Mais tarde, excitons spin-escuros dominam, onde os elétrons mudaram de spin dentro do mesmo vale, persistindo em escalas de nanosegundos.

Com isso, a equipe superou o desafio fundamental de como acessar e rastrear excitons escuros, estabelecendo as bases para a dark valleytronics como um campo. O Dr. Julien Madéo da unidade resume: “Graças ao sofisticado setup TR-ARPES no OIST, nós acessamos e mapeamos diretamente como e quais excitons escuros mantêm informações de vale de longa duração. Desenvolvimentos futuros para ler as propriedades de vale dos excitons escuros desbloquearão amplas aplicações dark valleytrônicas em sistemas de informação.”