Okinawa — InkDesign News — Pesquisadores da Unidade de Espectroscopia de Femtossegundo do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (Okinawa Institute of Science and Technology, OIST), no Japão, realizaram uma observação inédita da evolução de excitações eletrônicas obscuras, conhecidas como excitons escuros, em materiais atomicamente finos. O estudo, publicado nesta semana na Nature Communications, representa um avanço promissor para futuras tecnologias de informação clássica e quântica.
O Contexto da Pesquisa
Os excitons, quase-partículas formadas pela ligação entre elétrons e lacunas eletrônicas (holes) em semicondutores, são há anos objeto de estudos devido ao seu papel nos processos eletro-ópticos. Tradicionalmente, a manipulação de cargas (eletrônica) e o aproveitamento do spin dos elétrons (espintrônica) formam a base das tecnologias de processamento de informação. Recentemente, uma nova fronteira, a valeytrônica, explora propriedades do momento dos elétrons em estruturas cristalinas exclusivas para codificar informação.
Segundo Professor Keshav Dani, líder da unidade de pesquisa:
Excitons escuros têm grande potencial como portadores de informação, pois são inerentemente menos propensos a interagir com a luz e, assim, menos suscetíveis à degradação de suas propriedades quânticas. No entanto, essa invisibilidade também os torna muito desafiadores de estudar e manipular. (“Dark excitons have great potential as information carriers, because they are inherently less likely to interact with light, and hence less prone to degradation of their quantum properties. However, this invisibility also makes them very challenging to study and manipulate.”) — Keshav Dani, Professor, OIST.
Resultados e Metodologia
Com apoio tecnológico de um sistema inovador baseado em espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo e ângulo (TR-ARPES) e fonte própria de luz ultravioleta extrema (XUV), a equipe do OIST conseguiu mapear, pela primeira vez, as características e a evolução de excitons brilhantes e escuros em materiais semicondutores TMD (dicalcogenetos de metais de transição). O sistema permitiu quantificar simultaneamente o momento, o spin e a população de elétrons e lacunas ao longo do tempo, logo após a criação de excitons brilhantes em um “vale” específico desses materiais.
O estudo demonstrou que, em escala de picosegundo, uma parcela dos excitons brilhantes é dispersa por fônons (vibrações quânticas da rede cristalina) para vales de momento distintos, tornando-se então excitons “momentum-dark”. Posteriormente, excitons do tipo “spin-dark” prevalecem, caracterizados pela inversão do spin do elétron no mesmo vale e apresentando maior duração temporal, em escalas de nanossegundo.
A configuração atômica única dos TMDs possibilita, quando exposta à luz de polarização circular, criar excitons brilhantes em vales específicos — princípio fundamental da valeytrônica. (“The unique atomic symmetry of TMDs means that when exposed to a state of light with a circular polarization, one can selectively create bright excitons only in a specific valley. This is the fundamental principle of valleytronics.”) — Dr. Vivek Pareek, ex-aluno OIST, hoje pesquisador em pós-doutorado no California Institute of Technology.
Implicações e Próximos Passos
A observação direta das dinâmicas dos excitons escuros abre caminho para o campo da valeytrônica baseada em estados escuros, ou “dark valleytronics”, com implicações significativas para tecnologias quânticas. Excitons escuros demonstram maior resistência a perturbações ambientais, como o ruído térmico, potencialmente exigindo menos resfriamento extremo e apresentando menos suscetibilidade à decoerência — principal obstáculo para qubits atuais.
Segundo os autores, desdobramentos futuros dependem do desenvolvimento de métodos eficientes para leitura das propriedades de “vale” dos excitons escuros, viabilizando assim dispositivos de informação mais robustos e sustentáveis.
O avanço do OIST define novas fronteiras na manipulação quântica de informação, sinalizando que o domínio dos excitons escuros pode remodelar, nos próximos anos, as bases de computação e comunicação óptica de alta eficiência.
Fonte: (ScienceDaily – Ciência)
