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Foi alcançada uma descoberta marcante de guias de onda baseados em materiais bidimensionais com propriedades “exóticas”, de acordo com pesquisadores do Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos (NRL).
A descoberta foi alcançada durante estudos envolvendo nitreto de boro hexagonal, um material bidimensional, pelo laboratório oficial de pesquisa corporativa da Marinha dos EUA, enquanto trabalhava com pesquisadores da Universidade Estadual do Kansas.
Experimentos no domínio dos materiais 2D
Os materiais 2D são uma classe única de substâncias que resultam da redução de um material aos seus limites reconhecidos de monocamada através de processos de descascamento mecânico. Isso resulta em uma classe única de materiais 2D ultrafinos que possuem uma variedade de aplicações.
O material 2D mais famoso é o grafeno, que é formado a partir de átomos de carbono ligados para criar uma folha com apenas um átomo de espessura. Esses materiais podem ser separados em camadas explorando o que é conhecido como atração de van der Waals, que descreve uma força de atração entre átomos ou moléculas que depende da distância, e não da ligação química.
Após sucesso recente experimentos com grafenoos pesquisadores se envolveram em experimentações com outros novos materiais 2D, incluindo nitreto de boro hexagonal (BN), a forma mais macia e estável do BN, que já viu aplicações como lubrificante em componentes de máquinas, bem como em alguns produtos cosméticos.
No entanto, de maior interesse para os estudos do NRL são as formas como estes materiais podem ser aproveitados ao nível da nanoescala. Isso os torna particularmente úteis para o desenvolvimento de aplicações onde são necessários componentes ópticos e elétricos extremamente finos.
O nitreto de boro hexagonal é um caso particularmente especial, visto que amostras anteriores examinadas por cientistas do NRL revelaram suas qualidades ópticas potencialmente úteis. No entanto, novos estudos revelaram rapidamente uma surpresa: o composto possuía outras capacidades ocultas e extremamente promissoras.
Especificamente, quando ajustados para a espessura correta, os pesquisadores do NRL descobriram que placas de nitreto de boro hexagonal funcionam “como guias de ondas ópticas, permitindo o acoplamento óptico direto da emissão de luz de camadas encapsuladas em modos de guia de ondas”.
“Sabíamos que o uso de nitreto de boro hexagonal levaria a excelentes propriedades ópticas em nossas amostras”, disse Samuel Lagasse, Ph.D., da Divisão de Novos Materiais e Aplicações da NRL.
No entanto, Lagasse acrescenta que “nenhum de nós esperava que também agisse [as] um guia de ondas.”
Direcionando energia com guias de onda
Guias de onda são estruturas que confinam a transmissão de energia a uma direção, “orientando” efetivamente a maneira como as ondas podem viajar. Desde guias de ondas acústicos que governam a direção que o som viaja até direcionar a luz com variedades ópticas, os guias de ondas têm diversos usos em uma variedade de aplicações tecnológicas.
Porém, quando se trata da função de materiais 2D, os guias de onda também são uma necessidade, pois evitam que as ondas se expandam no espaço tridimensional, condições sob as quais sua intensidade diminui, segundo o lei do inverso quadrado.
“Como o hBN é amplamente utilizado em dispositivos 2D baseados em materiais, esse novo uso como guia de ondas óptico tem potencialmente impactos abrangentes”, Lagasse disse em um comunicado.
Outro benefício do nitreto de boro hexagonal é que ele pode ser usado para filtrar impurezas quando colocado próximo a camadas de outros materiais 2D, como o grafeno, que são muito sensíveis ao ambiente.
Na nova pesquisa do NRL, o nitreto de boro hexagonal foi usado para envolver uma camada de dichalcogenetos de metais de transição emissores de luz (TMDs), como o disseleneto de tungstênio, o que ajudou a facilitar seu uso em modos de guia de ondas óptico.
Isto foi conseguido empilhando materiais 2D chamados heteroestruturas de van der Waals, o que permitiu que as placas de nitreto de boro hexagonal fossem ajustadas em espessura para capturar perfeitamente a luz dentro delas e, assim, serem guiadas por ondas até a borda do material, onde ela eventualmente se dispersa e pode ser detectado usando um microscópio.
Na pesquisa do NRL, isso foi conseguido com dois tipos especiais diferentes de microscópios ópticos, que permitiram aos pesquisadores caracterizar os guias de onda hexagonais de nitreto de boro, além de desenvolver modelos eletromagnéticos 3D deles que ajudarão a viabilizar projetos futuros usando guias de onda em placas.
Provocando a luz dos excitons escuros
As DTMs 2D são notoriamente difíceis de medir opticamente. Como a luz de uma fonte concentrada como um feixe de laser é focada nesses materiais, eles produzem partículas conhecidas como excitons, a maioria dos quais emitem luz fora do plano ocupado pelo TMD em questão.
No entanto, existe outra variedade mais misteriosa de excitons que existe em certos tipos de DTM, conhecidos como excitons escuros, que emitem luz. dentro de o plano do TMD.
De acordo com as novas descobertas da pesquisa, os guias de onda em placas recém-descobertos do NRL foram bem-sucedidos na captura da luz produzida por esses excitons escuros, permitindo um novo método inovador que permite aos pesquisadores estudá-los opticamente.
Lagasse chama as propriedades únicas destes materiais 2D de “exóticas” e diz que irão beneficiar a Marinha e potencialmente facilitar uma série de aplicações em outras indústrias, embora ainda existam alguns obstáculos.
“Um grande desafio é fazer a interface desses materiais com as plataformas existentes sem danificá-los”, disse Lagasse em comunicado.
“Esses guias de onda de nitreto de boro são um passo nessa direção.”
As descobertas da colaboração NRL e Kansas State University foram publicadas recentemente na revista Materiais avançados.
Micah Hanks é o editor-chefe e cofundador do The Debrief. Ele pode ser contatado por e-mail em micah@thedebrief.org. Acompanhe seu trabalho em micahhanks.com e em X: @MicahHanks.
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