Pesquisadores da Unicamp conseguem manipular éxcitons por meio de ondas acústicas
Ilustração da interação de uma onda acústica de superfície com éxcitons neutros (uma carga positiva e uma negativa) e tríons (duas cargas negativas e uma positiva) em um material semicondutor bidimensional. As setas indicam a emissão óptica dos complexos excitônicos (Imagem: Diego Scolfaro)

Éxcitons são quase-partículas usualmente compostas por um elétron e um buraco – isto é, a ausência de um elétron na estrutura do material. Elétron e buraco interagem, formando um estado ligado, como se um átomo de hidrogênio tivesse sido criado artificialmente no material. Um éxciton pode ser produzido opticamente, utilizando-se laser, e seu estado quântico também pode ser lido opticamente, a partir da detecção da luz que ele emite quando elétron e buraco se recombinam.

O fóton emitido carrega informação sobre o spin e o momento angular orbital dos éxcitons. Em analogia com os circuitos eletrônicos, é possível imaginar circuitos contendo éxcitons, nos quais a informação é codificada no estado quântico dessas quase-partículas e a manipulação da informação é feita mediante a aplicação de campos elétricos e magnéticos.

Um estudo realizado no Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) obteve êxito em manipular éxcitons por meio de ondas acústicas. O artigo “Acoustically Driven Stark Effect in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers” foi publicado na revista ACS Nano,  referência na área de nanotecnologia.

O trabalho é resultado do projeto “Modulação ótica de sistemas nanoestruturados usando ondas acústicas de superfícies”, conduzido por Odilon Couto Júnior, professor do IFGW e coordenador do estudo. E é o principal resultado do projeto de doutorado do aluno Diego Scolfaro, orientado pelo professor Couto Júnior. Também assinam o trabalho o professor Fernando Iikawa do IFGW e pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), da Universidade Federal do Ceará (UFC) e do Paul Drude Institut (PDI), da Alemanha.

O projeto foi financiado pela FAPESP por meio da modalidade Apoio a Jovens Pesquisadores, o que possibilitou a montagem de um laboratório de espectroscopia óptica modulada por ondas acústicas. Além disso, participam como autores do artigo dois bolsistas de iniciação científica da FAPESP, Matheus Finamor e Luca Trinchão.

Os pesquisadores utilizaram um material semicondutor quase-bidimensional, formado por uma única camada de átomos de disseleneto de molibdênio (MoSe2), que possui a característica de emitir fortemente, em temperatura ambiente, na banda do espectro eletromagnético correspondente à luz visível.

“Um dos interesses nesse tipo de material é a forte interação entre elétrons e buracos, que permite que emitam luz com eficiência em temperatura ambiente, diferentemente do que ocorre com outras nanoestruturas semicondutoras. Por outro lado, exatamente pelo fato de a interação excitônica ser tão forte, a manipulação eficiente dos estados excitônicos torna-se bastante difícil”, diz Couto Júnior à Agência FAPESP.

No trabalho, os pesquisadores utilizaram ondas acústicas de superfície para demonstrar, como prova de conceito, uma possibilidade alternativa de manipular dois tipos de éxcitons nessa classe de materiais 2D: éxcitons neutros, isto é, cada qual composto por um elétron e um buraco; e tríons, cada qual composto por dois elétrons e um buraco.

“As ondas acústicas de superfície nada mais são do que deformações mecânicas geradas em uma direção bem definida do material. Elas carregam um campo piezoelétrico, que pode ser utilizado para manipular e modular as interações excitônicas, de modo a controlar a taxa e a energia da emissão de luz”, informa Couto Júnior.

A piezoeletricidade é a capacidade que alguns materiais possuem de gerar tensão elétrica em resposta à pressão mecânica.

“Além de manipular a emissão excitônica, a onda acústica permite também quebrar os éxcitons e criar, em decorrência, um sistema on-off: sem onda acústica, ocorre a emissão de luz; com onda acústica, a emissão é abortada”, acrescenta o pesquisador.

Couto Júnior conta que, uma vez quebrado o éxciton, o elétron e o buraco são carregados pela onda, vindo a se recombinar mais para frente. E sublinha que, controlando-se todos os parâmetros da onda, o que é relativamente simples de conseguir, torna-se possível manipular os éxcitons no material de forma mais previsível.

“Um dos resultados que obtivemos foi determinar experimentalmente alguns parâmetros que ainda não haviam sido reportados na literatura, como a polarizabilidade elétrica de éxcitons e tríons em monocamadas de MoSe2”, diz.

O artigo Acoustically Driven Stark Effect in Transition Metal Dichalcogenide Monolayers pode ser acessado na íntegra em: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06854#.