Manipulação Atômica para Materiais de Ponta
A física e a ciência dos materiais compreendem de forma abrangente a interação da luz com materiais naturais. Entretanto, nas últimas décadas, os cientistas criaram metamateriais capazes de interagir com a luz de maneiras não convencionais, superando as limitações físicas inerentes aos materiais naturais.
Em geral, um metamaterial consiste em conjuntos de “meta-átomos”, estruturados em uma escala de cerca de cem nanômetros. Embora os arranjos precisos desses meta-átomos permitam interações específicas entre luz e matéria, o grande tamanho dos meta-átomos em comparação com os átomos comuns, que são menores que um nanômetro, restringiu as aplicações práticas dos metamateriais.
A Equipe de Bo Zhen Revela um Método Inovador para a Engenharia de Estruturas Atômicas
Em uma inovação, uma equipe de pesquisa colaborativa liderada por Bo Zhen na Universidade da Pensilvânia introduziu um novo método. Essa abordagem envolve a engenharia das estruturas atômicas dos materiais por meio do empilhamento de matrizes bidimensionais em formações espirais, possibilitando novas interações entre luz e matéria. Essa técnica inovadora supera as limitações técnicas existentes e abre caminhos para lasers avançados, imagens e tecnologias quânticas. As descobertas do estudo foram publicadas na revista Nature Photonics.
Zhen, autor sênior e professor assistente da Escola de Artes e Ciências da Penn, explica a analogia: “É semelhante a empilhar um baralho de cartas, mas torcendo cada carta ligeiramente antes de adicioná-la à pilha. Essa torção muda a forma como o ‘baralho’ inteiro responde à luz, permitindo que ele exiba novas propriedades que as camadas individuais, ou as pilhas tradicionais, não possuem.”
Bumho Kim, o primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado no Zhen Lab, explica que, ao empilhar camadas de dissulfeto de tungstênio (WS2) e torcê-las em ângulos específicos, eles introduziram simetrias de parafuso.
Kim enfatiza o aspecto crucial dessa técnica, afirmando: “O segredo está na manipulação da torção. Ao torcer as camadas em ângulos precisos, você altera a simetria da pilha. A simetria, nesse contexto, refere-se às limitações impostas a determinadas propriedades do material, como a interação com a luz, com base em sua disposição espacial.”
Por meio do controle preciso do arranjo em escala atômica, os pesquisadores alteraram os recursos desses materiais. Ao manipular a torção em várias camadas de WS2, eles criaram materiais ópticos não lineares em 3D.
Simetria da Camada Única de WS2 e Geração de Segundo Harmônico Explicadas por Kim
Kim esclarece que uma única camada de WS2 apresenta simetrias específicas que permitem interações particulares com a luz, como a geração de segundo harmônico (SHG), em que dois fótons em uma determinada frequência podem interagir com o material para produzir um novo fóton com o dobro da frequência.
Entretanto, quando duas camadas de WS2 são empilhadas com um ângulo de torção diferente dos convencionais 0° ou 180°, as simetrias de espelho presentes na camada única são interrompidas. Essa quebra de simetria de espelho é crucial, levando a uma resposta quiral – um aspecto totalmente novo não observado em camadas individuais.
A resposta quiral é significativa porque resulta do acoplamento entre as funções de onda eletrônica das duas camadas, um fenômeno exclusivo das interfaces torcidas. Zhen observa uma propriedade intrigante: o sinal da resposta não linear quiral se inverte quando o ângulo de torção é revertido, demonstrando o controle direto sobre as propriedades não lineares por meio do ajuste do ângulo de torção entre as camadas, um nível de sintonia com potencial revolucionário para projetar materiais ópticos com respostas personalizadas.
Desvendando Respostas SHG em Pilhas de Várias Camadas com Ângulos de torção
Avançando das bicamadas para as tricamadas e além, os pesquisadores observaram como as respostas SHG interfaciais podem interferir de forma construtiva ou destrutiva com base nos ângulos de torção entre as camadas. Em pilhas com camadas em múltiplos de quatro, as respostas quirais de todas as interfaces se somam, enquanto as respostas no plano se cancelam, resultando em um material que exibe apenas suscetibilidades não lineares quirais – uma conquista que exige empilhamento e torção precisos das camadas.
Os pesquisadores descobriram que a simetria do parafuso introduz uma nova seletividade para o campo elétrico da luz no material, influenciando sua direção e intensidade. Kim destaca como eles identificaram que a simetria de parafuso permite um novo tipo de geração de luz em pilhas torcidas de quatro e oito camadas: geração de terceiro harmônico polarizado contracircularmente, em que a luz viaja na direção espiral oposta – uma qualidade ausente nas monocamadas WS2 constituintes.
Em testes experimentais, os pesquisadores validaram as não linearidades previstas em várias configurações de pilhas de WS2 torcidas. Eles observaram novas respostas não lineares e seletividade circular em pilhas de WS2 torcidas, apresentando possibilidades não encontradas em WS2 de ocorrência natural e potencialmente revolucionando o campo da óptica não linear.
Leia o Artigo Original: Phys Org
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