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Se você segurar uma malha de arame em cima de outra e olhar através dela, verá um padrão maior chamado padrão moiré formado pelas grades sobrepostas das duas malhas, que depende de seu ângulo torcido relativo. Os cientistas que desenvolvem novos materiais estão estudando ativamente padrões moiré em materiais atomicamente finos sobrepostos – eles produzem fenômenos eletrônicos intrigantes que incluem supercondutividade não convencional e ferromagnetismo.
Simulações de supercomputadores ajudaram os cientistas a revelar em um sistema moiré de bicamada uma nova espécie de um fenômeno eletrônico chamado exciton, que é uma quasipartícula eletricamente neutra, mas que pode transportar energia e consiste em um elétron e um ‘buraco’ de elétron que pode ser criado para por exemplo, pela luz incidindo em certos semicondutores e outros materiais.
Os excitons recém-descobertos foram produzidos por padrões moiré de folhas bidimensionais de semicondutores exóticos chamados dicalcogenetos de metais de transição, com o elétron ligado ao buraco, mas separado um do outro por uma distância característica na folha. Isso foi chamado de éxciton de transferência de carga intracamada e foi uma surpresa para os cientistas porque esses éxcitons não existem nas folhas individuais. A pesquisa pode ser usada no desenvolvimento de novos sensores ópticos e tecnologia de comunicação, como fibras ópticas e lasers.
Novo Exciton Descoberto
“Neste trabalho, descobrimos um novo éxciton de características imprevistas de transferência de carga intracamada em uma super-rede moiré formada por duas camadas atomicamente finas de materiais de dicalcogeneto de metal de transição”, disse Steven G. Louie, distinto professor de física da Universidade da Califórnia, Berkeley (UC Berkeley) e cientista sênior do corpo docente do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL).
Louie é o autor correspondente da pesquisa publicada em agosto de 2022 na revista Nature. Nele, os cientistas desenvolveram modelos computacionais que vão além dos modelos parametrizados convencionais que têm sido usados para descrever sistemas moiré e excitons moiré. Em vez disso, eles realizaram cálculos ab initio que começam apenas com a identidade e a posição inicial dos 3.903 átomos da célula unitária da super-rede moiré.
Primeiros Princípios
“É um método poderoso para prever com precisão as propriedades do material”, acrescentou Louie, “porque não há nenhum ajuste empírico envolvido”.
Em particular, para calcular os estados de exciton e a propriedade óptica dos sistemas moiré, eles usaram a abordagem de última geração GW mais a equação de Bethe-Salpeter (GW-BSE), considerada uma das abordagens mais precisas para prever o propriedades ópticas dos materiais.
Além disso, Louie e seus colegas usaram seus cálculos para prever as diferentes respostas eletrônicas e ópticas dos excitons no sistema. Eles trabalharam com colegas experimentais Emma C. Regan, Zuocheng Zhang e Professor Feng Wang na UC Berkeley. Em poucas palavras, Wang e seus colegas iluminaram o material e analisaram a luz refletida para ver como o sistema respondia aos fótons em diferentes condições.
Com certeza, eles verificaram as previsões teóricas encontrando assinaturas distintas do éxciton de transferência de carga intracamada em suas medições.
Desafios computacionais superados com suporte TACC
“O método GW-BSE é muito preciso, mas também é computacionalmente desafiador”, disse o coautor do estudo Mit Naik, pesquisador de pós-doutorado que trabalha com o professor Louie na UC Berkeley e no LBNL.
O desafio em simular um éxciton é que ele requer a resolução de integrais de seis dimensões difíceis, inúmeras vezes, e as integrais são massivas na super-rede moiré devido ao grande tamanho da célula unitária moiré – composta por muitas células unitárias das camadas individuais , 25×25 para uma camada e 26×26 para a outra.
Cálculos GW-BSE típicos são realizados em sistemas de até cem átomos na célula unitária. Aqui, os autores precisavam de cálculos para 3.903 átomos. “Inicialmente, parecia quase impossível”, disse Naik.
Destemidos, os cientistas encontraram um novo método que reduziu o custo computacional em um milhão de vezes sem perda de precisão.
“Encontramos uma maneira de aproximar a integral de dois mil átomos de cada camada como uma soma sobre muitas integrais de três átomos, que eram computacionalmente muito mais simples de calcular”, disse Naik.
A técnica teórica que eles desenvolveram, chamada de método de projeção de matriz de célula unitária pristine (PUMP), pode ser generalizada para estudar outros sistemas de materiais, como excitons de moiré intercamadas ou híbridos em super-redes moiré multicamadas, defeitos rasos em materiais e muito mais.
O Texas Advanced Computing Center (TACC) apoiou o estudo dos primeiros princípios de Steven Louie sobre materiais de ponta por meio de uma grande alocação de recursos no supercomputador Frontera da TACC, o sistema acadêmico mais poderoso dos EUA e financiado pela National Science Foundation.
Ele também recebeu alocações no supercomputador Stampede2 da TACC, feito através do Ecossistema de Coordenação de Ciberinfraestrutura Avançada: Serviços e Suporte (ACCESS), financiado pela NSF, anteriormente o Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE).
Em sua tentativa de empurrar o limite do número de átomos em seus cálculos, os pesquisadores inicialmente enfrentaram alguns problemas ao executar alguns dos cálculos de moiré em larga escala no Frontera.
“Recebemos apoio dos pesquisadores associados da TACC, que nos ajudaram a resolver esses problemas”, lembrou Naik.
Por exemplo, eles não conseguiram executar as simulações em larga escala das propriedades do estado fundamental no Frontera usando um pacote de teoria funcional de densidade padrão (DFT) chamado Quantum Espresso, devido à instabilidade criada por uma nova versão do compilador Intel usado para o pacote DFT.
A equipe de consultoria da TACC encontrou uma maneira de contornar o problema instalando uma versão mais antiga e mais estável do compilador. “Isso nos permitiu calcular a estrutura eletrônica da super-rede WSe2 moiré que entrou neste trabalho”, disse Naik.
“O hardware Frontera e Stampede2 atendeu eficientemente aos nossos requisitos, fornecendo conectividade entre nós de última geração e memória suficiente em cada nó”, acrescentou Naik.
IMPACTO CIENTÍFICO
“O éxciton de transferência de carga intracamada que descobrimos através deste empilhamento artificial de duas monocamadas revelou uma interação extraordinariamente forte da estrutura atômica e do tipo de éxciton possível nos sistemas moiré”, disse Louie. “Este é um passo importante no avanço da engenharia de materiais para propriedades desejadas.”
Isso porque, uma vez que a luz cria excitons de transferência de carga, eles podem ser distorcidos ou dissociados mais facilmente com um campo externo ou outras perturbações do que os excitons padrão do tipo Wannier.
Essas considerações são importantes em muitos fenômenos básicos e aplicações potenciais, como novos sensores ópticos e nanodispositivos de modulação eletro-óptica. “É nisso que estamos trabalhando com nossos colegas experimentais agora”, disse Louie.
“As propriedades excitônicas dos materiais formam os princípios básicos por trás de muitos dos dispositivos e sensores ópticos e optoeletrônicos que encontramos em nossas vidas diárias”, disse o coautor do estudo Felipe Jornada, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford. e um investigador principal no SLAC National Accelerator Laboratory.
Ele deu o exemplo das TVs e displays OLED, que usam emissão de luz a partir da recombinação de excitons em semicondutores orgânicos. Além disso, os novos smartwatches usam sensores ópticos avançados para monitorar os níveis de oxigênio no sangue do usuário.
“Além dos dispositivos existentes, os dicalcogenetos de metais de transição e as heteroestruturas desses materiais nos quais estamos trabalhando são considerados uma plataforma de material promissora para dispositivos optoeletrônicos em nanoescala pós-silício. No futuro, acreditamos que estes serão um caminho promissor para novos sensores, monitores e tecnologias”, disse Jornada.
A maior parte do financiamento para o estudo foi fornecida pelo programa de heteroestrutura van der Waals do Departamento de Energia dos EUA (KCWF16). O desenvolvimento da teoria e do algoritmo para este trabalho foi realizado no Centro de Estudos Computacionais de Fenômenos de Estado Excitados em Materiais Energéticos (C2SEPEM) no Lawrence Berkeley National Lab. Eles também usaram o National Energy Research Science Computing Center (NERSC) no Lawrence Berkeley National Laboratory para realizar parte dos cálculos.
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