Cientistas descobrem fônons quirais em um cristal 2D semicondutor

Uma equipe de pesquisadores do Departamento de Energia do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) encontrou a primeira evidência de que um movimento oscilatório na estrutura de um material atomicamente fino (2D), possui uma rotação circular que acontece naturalmente.

fônons quirais 1

Clique na imagem para ver a animação do movimento atômico num material 2D, dissulfeto de tungstênio. Neste modo do fônon (conhecido como modo óptico longitudinal ou LO), os átomos de selênio (amarelo) giram no sentido horário, enquanto os átomos de tungstênio (azul) são imóveis. Crédito: Hanyu Zhu, e outros.

Esta rotação poderá tornar-se a base para um novo tipo de tecnologia de informação, podendo ser usada em projetos de rotores em escala molecular para fazer motores e máquinas microscópicas.

O material monocamada, disseleneto de tungstênio (WSe2), já é bem conhecido pela sua incrível capacidade em manter propriedades eletrônicas especiais que são muito mais fugazes em outros materiais.

Ele é considerado um candidato promissor para uma tão almejada forma de armazenamento de dados conhecida como valetrônica, por exemplo, em que a dinâmica e o movimento ondulatório dos elétrons em um material pode ser classificado em “vales opostos” na sua estrutura eletrônica, com cada um desses vales representando os “uns” e “zeros” nos dados binários convencionais.

Estrutura de dois vales opostos mostrada em azul e vermelho [Fonte: Gbo4kl7]

Estrutura de dois vales opostos mostrada em azul e vermelho [Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br]

A eletrônica moderna normalmente baseia-se em manipulações da carga de elétrons para transportar e armazenar informações, no entanto, como os aparelhos eletrônicos são miniaturizados cada vez mais, estão mais sujeitos a problemas associados com acumulação de calor e fugas elétricas.

Segundo o último estudo, publicado nessa semana no jornal Science, há um caminho possível para superar essas questões. As notícias referem-se que alguns dos fônons dentro do material (um termo que descreve vibrações coletivas em cristais atômicos) giram naturalmente numa determinada direção.

Esta propriedade é conhecida como quiral – semelhante as mãos de uma pessoa, onde a mão esquerda e direita são uma imagem invertida uma da outra, e não idênticas. Controlar a direção desta rotação proporcionaria a criação de um mecanismo estável para transportar e armazenar informações.

“Fônons em sólidos, de um modo geral, são considerados como o movimento linear coletivo de átomos,” disse Xiang Zhang, respectivo autor do estudo e principal cientista da Materials Science Division (Divisão de Ciências de Materiais) do Laboratório Nacional de Lawrence Berkeley, na Califórnia, e professor na Universidade da Califórnia em Berkeley. “Seu experimento descobriu um novo tipo de fônon quiral onde os átomos movem-se em círculos em um cristal atômico de monocamada de disseleneto de tungstênio.”

Este diagrama traça o movimento atômico em modos separados do fônon. À esquerda (“LO” representa um modo óptico longitudinal), os átomos de selênio exibem uma rotação no sentido horário enquanto os átomos de tungstênio são imóveis. À direita (“LA” representa um modo acústico longitudinal), os átomos de tungstênio exibem um movimento de rotação no sentido horário enquanto os átomos de selênio giram num sentido anti-horário. Crédito: Hanyu Zhu, e outros.

Este diagrama traça o movimento atômico em modos separados do fônon. À esquerda (“LO” representa um modo óptico longitudinal), os átomos de selênio exibem uma rotação no sentido horário enquanto os átomos de tungstênio são imóveis. À direita (“LA” representa um modo acústico longitudinal), os átomos de tungstênio exibem um movimento de rotação no sentido horário enquanto os átomos de selênio giram num sentido anti-horário. Crédito: Hanyu Zhu, e outros.

Hanyu Zhu, principal autor do estudo e pesquisador pós-doutorado da equipe de Zhang, afirma: “Uma das maiores vantagens do fônon quiral é que sua rotação não é livre, mesmo com o movimento das partículas, e dificilmente sofre perturbação.”

Na amostra de fônon estudada, os átomos do selênio parecem girar coletivamente em um sentido horário, enquanto os átomos de tungstênio não mostraram nenhum movimento.

Os pesquisadores prepararam um “sanduíche” com quatro folhas de um centímetro em monocamadas e, as amostras foram colocadas entre cristais finos de safira. Em seguida, sincronizaram raios laser ultrarrápidos para registrar os movimentos dependentes do tempo.

Duas fontes de raio laser convergiram em um ponto nas amostras, medindo apenas 70 milionésimos de metro em diâmetro. Um dos laser foi comutado precisamente entre dois modos de ajustes diferentes para detectar a diferença do quiral esquerdo em relação a atividade do fônon direito.

Um aparelho denominado como “bomba de laser” produziu pulsos de luz vermelha visível que excitaram as amostras, e uma sonda de raio laser produziu pulsos infravermelhos médios que seguiram o primeiro pulso da bomba dentro de um trilionésimo de um segundo. Aproximadamente um fóton de infravermelho médio em cada 100 milhões é absorvido pelo WSe2 (disseleneto de tungstênio) e converte-se em um fônon quiral.

Os pesquisadores posteriormente capturaram uma luminescência de alta energia com a amostra, uma característica rara deste evento de absorção atômica. Através desta técnica, conhecida como espectropia de infravermelho transiente, eles não só confirmaram a existência de um fônon quiral, como também obtiveram com precisão sua frequência de rotação.

Até o momento, o processo só produziu um pequeno número de fônos quirais. A próxima etapa na pesquisa consistirá em gerar um grande número de fônons rotativos, e de saber se agitações vigorosas no cristal podem ser usadas para inverter o spin dos elétrons ou para alterar significativamente as propriedades do vale do material. O spin é uma propriedade inerente de um elétron que pode comportar-se como faria a agulha de uma bússola – Se ele pode movimentar-se para o ponto norte ou sul, então pode ser usado para transmitir informações a uma nova eletrônica, chamada spintrônica.

Interação dos elétrons, fônon e spins. Crédito: Universidade da Califórnia - Riverside.

Interação dos elétrons, fônon e spins. Crédito: Universidade da Califórnia – Riverside.

“O potencial baseado no controle de fônos de elétrons e spins para aplicações em dispositivos é algo muito empolgante e está ao nosso alcance,” confirma Zhu. “Já provamos que os fônos são capazes de comutar o vale eletrônico. Além disso, esse trabalho prevê a possibilidade de usar a rotação dos átomos como pequenos ímãs para guiar a orientação do spin.”

As propriedades quirais encontradas no estudo provavelmente existem em uma grande variedade de materiais 2D, baseadas numa mesma padronização de sua estrutura atômica; Zhu, assinalou ainda, que o estudo pode conduzir investigações teóricas das interações elétron-fônon e auxiliar em projetos de materiais para intensificar os efeitos baseados no fônon.

“Esse mesmo princípio funciona em todas as estruturas periódicas 2D com tripla simetria e assimetria de inversão,” conclui Zhu. “O mesmo princípio abrange uma enorme família de materiais, e são quase infinitas as possibilidades para criar rotores a nível molecular.”

 

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Fonte do Artigo: https://phys.org/news/2018-01-team-electron-interact-crystal-lattice.html

Autor Nelson V. Soares

Nelson V. Soares

Autor e Instrutor Render, Desenvolvedor de Cursos Online em Aplicações de Eletrônica, Office e Programação.

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