Físicos criam exótico elétron líquido

Ao bombardear um sanduíche semicondutor ultrafino com potentes pulsos de laser, os físicos criaram o primeiro “líquido de elétrons” à temperatura ambiente. A conquista abre um caminho para o desenvolvimento dos primeiros dispositivos práticos e eficientes para gerar e detectar luz em comprimentos de onda terahertz – entre luz infravermelha e microondas. Tais dispositivos poderiam ser usados em aplicações tão diversas quanto comunicações no espaço exterior, detecção de câncer e varredura de armas ocultas.

A conquista abre um caminho para o desenvolvimento dos primeiros dispositivos práticos e eficientes para gerar e detectar luz em comprimentos de onda terahertz – entre luz infravermelha e microondas. Tais dispositivos poderiam ser usados em aplicações tão diversas quanto comunicações no espaço exterior, detecção de câncer e varredura de armas ocultas.

A pesquisa também poderia permitir a exploração da física básica da matéria em escalas infinitesimamente pequenas e ajudar a inaugurar uma era de metamateriais quânticos, cujas estruturas são projetadas em dimensões atômicas.

Os físicos da UCR publicaram suas descobertas online em 4 de fevereiro na revista Nature Photonics. Eles foram liderados pelo Professor Associado de Física Nathaniel Gabor, que dirige o Laboratório de Optoeletrônica da UCR Quantum Materials. Outros co-autores foram os membros do laboratório Trevor Arp e Dennis Pleskot, e Professor Associado de Física e Astronomia Vivek Aji.

Em seus experimentos, os cientistas construíram um sanduíche ultrafino de ditelureto de molibdênio semicondutor entre camadas de grafeno de carbono. A estrutura em camadas era apenas ligeiramente mais espessa do que a largura de uma única molécula de DNA. Eles então bombardearam o material com pulsos de laser super rápidos, medidos em quatrilhões de segundo.

“Normalmente, com semicondutores como o silício, a excitação a laser cria elétrons e seus buracos carregados positivamente que se difundem e se espalham pelo material, que é como você define um gás”, disse Gabor. No entanto, em seus experimentos, os pesquisadores detectaram evidências de condensação no equivalente a um líquido. Tal líquido teria propriedades que se assemelham a líquidos comuns como a água, exceto que consistiria não de moléculas, mas de elétrons e buracos dentro do semicondutor.

“Estávamos aumentando a quantidade de energia que estava sendo despejada no sistema, e não vimos nada, nada, nada – de repente, vimos a formação do que chamamos de ‘anel fotocorrente anômalo’ no material”, disse Gabor. “Percebemos que era um líquido porque crescia como uma gota, em vez de se comportar como um gás.”

“O que realmente nos surpreendeu foi que aconteceu à temperatura ambiente”, disse ele. “Anteriormente, os pesquisadores que criaram esses líquidos com furos de elétrons só conseguiram fazê-lo em temperaturas mais frias do que no espaço profundo”.

As propriedades eletrônicas dessas gotículas permitiriam o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos que operam com eficiência sem precedentes na região terahertz do espectro, disse Gabor. Os comprimentos de onda do Terahertz são maiores que as do infravermelho, mas menores que os do microondas, e existe uma “lacuna terahertz” na tecnologia para a utilização de tais ondas. Ondas de Terahertz poderiam ser usadas para detectar cânceres de pele e cavidades dentárias devido à sua penetração limitada e capacidade de resolver diferenças de densidade. Da mesma forma, as ondas poderiam ser usadas para detectar defeitos em produtos como comprimidos de drogas e descobrir armas escondidas sob a roupa.

Os transmissores e receptores Terahertz também podem ser usados para sistemas de comunicação mais rápidos no espaço exterior. E, o líquido do buraco de elétrons poderia ser a base para os computadores quânticos, que oferecem o potencial de ser muito menor do que os circuitos baseados em silício atualmente em uso, disse Gabor.

Mais genericamente, disse Gabor, a tecnologia usada em seu laboratório poderia ser a base para a engenharia de “metamateriais quânticos”, com dimensões em escala atômica que permitem a manipulação precisa de elétrons para fazer com que eles se comportem de novas maneiras.

Em estudos posteriores sobre “nanopuddles” de buracos de elétrons, os cientistas explorarão suas propriedades líquidas, como a tensão superficial.

“No momento, não temos a menor ideia de como esse líquido é líquido e seria importante descobrir”, disse Gabor.

Gabor também planeja usar a tecnologia para explorar fenômenos físicos básicos. Por exemplo, resfriar o líquido do orifício de elétrons a temperaturas ultra-baixas poderia fazer com que ele se transformasse em um “fluido quântico” com propriedades físicas exóticas que poderiam revelar novos princípios fundamentais da matéria.

Em seus experimentos, os pesquisadores usaram duas tecnologias-chave. Para construir os sanduíches ultrafinos de ditelureto de molibdênio e grafeno de carbono, eles usaram uma técnica chamada “estampagem elástica”. Neste método, um filme de polímero pegajoso é usado para pegar e empilhar camadas de grafeno e semicondutor com espessura de átomo.

E para bombear energia para o sanduíche semicondutor e para avaliar os efeitos, eles usaram “microscopia de fotorresposição dinâmica multiparâmetro” desenvolvida por Gabor e Arp. Nesta técnica, feixes de pulsos de laser ultra-rápidos são manipulados para escanear uma amostra para mapear opticamente a corrente gerada.