Um movimento altamente incomum de partículas emissoras de luz em semicondutores atomicamente finos foi confirmado experimentalmente por cientistas do Cluster de Excelência de Würzburg – Dresden ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica. As quasipartículas eletrônicas, conhecidas como excitons, pareciam se mover em direções opostas ao mesmo tempo.
O professor Alexey Chernikov – físico recém-nomeado na Technische Universität Dresden – e sua equipe foram capazes de revelar as consequências desse fenômeno quântico monitorando a emissão de luz de excitons móveis usando microscopia ultrarrápida em temperaturas extremamente baixas. Essas descobertas movem o tópico do transporte quântico de estados excitônicos de muitos corpos para o foco da pesquisa moderna. Os resultados deste trabalho foram publicados na revista Physical Review Letters.
Emissores de luz em matéria atomicamente fina
Os materiais quânticos estudados por Alexey Chernikov e sua equipe têm apenas alguns átomos de espessura. Devido a interações extremamente fortes nesses sistemas, os elétrons se unem para formar novos estados conhecidos como excitons. Excitons se comportam como partículas independentes e são capazes de absorver e emitir luz com alta eficiência. Em camadas atomicamente finas, eles são estáveis desde as temperaturas mais baixas, como 268 graus Celsius negativos até a temperatura ambiente.
Sobre o projeto de pesquisa atual que enfoca o movimento de excitons em matéria ultrafina, o físico Chernikov explica: “Os excitons podem ser entendidos como uma espécie de fontes de luz em movimento. Como outros objetos da mecânica quântica, eles combinam propriedades de onda e partícula, propagando-se através de cristais atomicamente finos. Isso significa que eles podem armazenar e transportar energia e informação, mas também convertê-los novamente em luz. Isso os torna particularmente interessantes para nós.”
Na trilha de quasipartículas “malucas”
O movimento rápido de excitons em semicondutores atomicamente finos foi visualizado usando microscopia óptica de alta sensibilidade: “Primeiro aplicamos um pulso de laser curto ao material que gerou os excitons. Em seguida, usamos um detector ultrarrápido para observar quando e onde a luz foi reemitida. Quando repetimos esses experimentos em temperaturas muito baixas, no entanto, o movimento das quasipartículas parecia bastante surpreendente “, diz Chernikov.
Movendo-se em duas direções ao mesmo tempo
Até agora, dois tipos gerais de movimento de excitons eram amplamente conhecidos pela comunidade científica: ou os excitons “saltam” de uma molécula para outra (processo conhecido como salto) – ou se movem “classicamente” como bolas de bilhar que mudam de direção após eventos de espalhamento aleatório. “Nos semicondutores ultrafinos, entretanto, os excitons se comportavam de uma forma que nunca vimos antes. No final, a única explicação possível era que os excitons ocasionalmente se moviam através de loops fechados em direções opostas ao mesmo tempo. o comportamento era conhecido de elétrons individuais. No entanto, observar isso experimentalmente para excitons luminescentes – isso era bastante incomum”, observa Chernikov.
Depois que todos os experimentos de controle confirmaram o resultado, os cientistas procuraram a causa de sua observação incomum. Um trabalho teórico publicado recentemente pelo pesquisador russo Mikhail M. Glazov do Instituto Ioffe em São Petersburgo forneceu o insight principal: Glazov descreve como excitons em semicondutores atomicamente finos podem de fato se mover por caminhos fechados semelhantes a anéis e entrar em estados sobrepostos. Isso significa que os excitons parecem se mover essencialmente no sentido horário e anti-horário ao mesmo tempo. Este efeito é um fenômeno puramente da mecânica quântica, o que não ocorre com as partículas clássicas. Junto com a equipe de Ermin Malic da Philipps University of Marburg, que forneceu informações adicionais sobre a dinâmica do exciton, os cientistas finalmente conseguiram rastrear esse comportamento incomum.
Panorama
Em uma colaboração com colegas internacionais, a equipe de Alexey Chernikov mostrou uma maneira de monitorar experimentalmente os efeitos da mecânica quântica no movimento de complexos de muitas partículas em interação. A pesquisa sobre o transporte quântico de quasipartículas excitônicas, no entanto, ainda está no início. No futuro, materiais como as camadas ultrafinas examinadas por Chernikov também podem servir de base para novos tipos de fontes de laser, sensores de luz, células solares ou mesmo blocos de construção para computadores quânticos.
Publicado em 18/12/2021 06h42
Artigo original:
Estudo original: