.
Pesquisadores australianos projetaram uma caixa quântica para polaritons em um material bidimensional, alcançando grandes densidades de polaritons e um estado quântico parcialmente ‘coerente’.
Novos insights provenientes da nova técnica podem permitir que os pesquisadores acessem fenômenos quânticos ‘coletivos’ impressionantes nesta família de materiais e possibilitem tecnologias futuras de alto desempenho e eficiência ultra-energética.
A chave para a construção da caixa quântica foi o uso de um ‘pequeno’ material 2D (dissulfato de tungstênio) em cima de uma ‘grande’ heteroestrutura contendo o mesmo material. Isso permitiu que os pesquisadores investigassem e comparassem cuidadosamente as propriedades dos polaritons presos na caixa e dos polaritons em movimento livre.
“Conseguimos demonstrar que os polaritons que se formam em qualquer lugar fora a caixa quântica pode viajar por muitos micrômetros e ficar presa e se acumular dentro da caixa”, explicou o pesquisador principal, Matthias Wurdack (Universidade Nacional da Austrália).
Por que precisamos de grandes densidades de polaritons
Exciton-polaritons são uma plataforma promissora para o futuro da eletrônica de energia ultrabaixa, porque eles podem fluir sem qualquer dissipação de energia desperdiçada, em um estado quântico totalmente ‘coerente’.
Novos semicondutores 2D atomicamente finos (TMDCs) são candidatos promissores para essas tecnologias futuras porque os excitons são estáveis nesses materiais à temperatura ambiente.
(A operação à temperatura ambiente é importante em qualquer tecnologia viável e alternativa de baixo consumo de energia, para que a energia necessária para super-resfriar o dispositivo não supere os ganhos.)
“No entanto, esse transporte ‘sem dissipação’ requer uma transição de fase para um estado quântico macroscopicamente coerente, que ocorre apenas em densidades de partículas muito grandes que são difíceis de acessar em semicondutores 2D”, explica a líder do grupo Prof Elena Ostrovskaya (também da ANU).
“A nova técnica permite que os pesquisadores da ANU criem altas densidades de polariton em uma ‘caixa quântica’ projetada.”
Exciton Polaritons: Um Breve Explicador
Um ‘Exciton’ é um par elétron-buraco ligado e pode ser criado em um semicondutor bandgap direto, onde um elétron fotoexcitado na banda de condução se liga a uma vacância de elétron carregado positivamente (buraco) na banda de valência.
A mistura desses excitons com a luz leva à formação das desejadas partículas híbridas de matéria leve chamadas ‘exciton-polaritons’, que podem viajar através do semicondutor sem dissipar energia em calor.
A ‘mistura’ é realizada colocando um semicondutor 2D dentro de uma microcavidade composta por dois espelhos, separados por algumas centenas de nanômetros, que confinam a luz.
Em tal dispositivo, os excitons no semicondutor 2D podem se acoplar fortemente à luz confinada, formando exciton-polaritons (muitas vezes referidos apenas como ‘polaritons’).
Como construir uma caixa quântica
No dispositivo de microcavidade/heteroestrutura, exciton-polaritons interagindo entre si podem passar por uma transição de fase para o estado quântico sem dissipação do condensado de Bose Einstein (BEC) ou superfluido, que pode ser utilizado em tecnologias futuras.
Esta transição de fase pode ser alcançada à temperatura ambiente em densidades de partículas suficientemente grandes.
Um método popular para aumentar a densidade de partículas e, portanto, as interações dos polaritons, é confiná-los espacialmente dentro de uma caixa quântica.
No entanto, construir uma caixa quântica para polaritons de excitons em materiais 2D é difícil, porque esses materiais são extremamente frágeis e facilmente danificados usando técnicas convencionais de nanofabricação.
Os pesquisadores da FLEET/ANU encontraram uma nova maneira de construir essa caixa quântica mecanicamentesem a necessidade de máquinas de nanofabricação que expõem os frágeis materiais 2D a partículas quentes e abrasivas.
Isso foi feito colocando uma ‘pequena’ monocamada do dissulfeto de tungstênio TMDC (WS2), em cima de um WS ‘grande’2 monocamada espaçada por Ga ultrafino2O3 vidro, dentro da microcavidade espelhada.
Os tamanhos ‘pequeno’ e ‘grande’ são relativos ao comprimento de onda da partícula de um exciton-polariton.
A camada menor cria um ‘poço potencial’ porque dentro de seus limites há um acoplamento mais forte do éxciton à luz, o que rouba a energia potencial dos polaritões, de modo que agora eles não têm energia suficiente para escapar do poço.
A construção permite que os pesquisadores acumulem e confinem polaritons dentro da armadilha de ‘caixa’ formada pelo poço potencial, aumentando assim a densidade de polariton dentro da caixa.
Estudo confirma um passo em direção ao estado quântico desejado
Os pesquisadores foram capazes de comparar as características do polariton dentro e fora da armadilha de caixa.
Eles descobriram que o aprisionamento leva à redistribuição de energia para estados de energia mais baixos, sinalizando um avanço em direção aos estados quânticos desejados de BEC e superfluidez.
Além disso, os pesquisadores descobriram que o aprisionamento aumenta significativamente a coerência macroscópica dos polaritons, mesmo antes da fase BEC ser alcançada.
Isso ocorre porque a luz confinada é muito mais duradoura do que o WS2 excitons, e o aprisionamento reduz fortemente as flutuações de fase do gás polariton.
Notavelmente, a coerência aprimorada na armadilha também foi alcançada quando os polaritons foram criados exclusivamente fora da região de armadilha e povoaram a armadilha viajando em direção a ela através da amostra.
Novos Materiais
Os semicondutores usados neste estudo pertencem à família de cristais de dicalcogeneto de metal de transição (TMDCs), que são cristais em camadas que são fracamente ligados por meio de interações de van-der-Waals (semelhante ao grafite em lápis).
Como as ligações entre as camadas são tão fracas, os pesquisadores podem ‘afinar’ esses cristais de forma relativamente simples usando o método ‘fita adesiva’ – primeiro, famoso, usado por Geim e Novoselov para isolar grafeno 2D em 2010.
Quando diluída até o limite da monocamada (ou seja, um átomo fino), a luz em um comprimento de onda distinto interage fortemente com as monocamadas, criando diretamente excitons. (Este processo não ocorre nos cristais a granel.)
Os TMDCs 2D são considerados plataformas promissoras para tecnologia futura porque os excitons nesses materiais são estáveis à temperatura ambiente.
No entanto, excitons em TMDCs possuem apenas interações efetivas fracas entre si, tornando fenômenos quânticos ‘coletivos’, como BEC e superfluidez, difíceis de alcançar.
“Enquanto os excitons em TMDCs interagem fortemente com a luz para formar exciton-polaritons, os exciton-polaritons em TMDCs interagem apenas fracamente uns com os outros”, explica Matthias. “Uma densidade de polariton muito alta pode ser uma maneira de contornar esse desafio.”
.
