Pesquisadores descobriram que pilhas de materiais bidimensionais formam naturalmente cavidades microscópicas que capturam luz e elétrons, alterando o comportamento quântico sem a necessidade de espelhos. Essa descoberta, observada usando um novo espectroscópio de terahertz, poderia permitir novas maneiras de controlar estados quânticos exóticos. O estudo foi publicado na Nature Physics.
Materiais bidimensionais, valorizados por efeitos como supercondutividade e magnetismo exótico, há muito intrigam cientistas que buscam entender e manipular suas propriedades quânticas. Uma equipe liderada por James McIver, professor assistente de física na Universidade Columbia, revelou um mecanismo anteriormente invisível nesses materiais durante experimentos iniciados no Instituto Max Planck para Estrutura e Dinâmica da Matéria em Hamburgo, Alemanha.
A pesquisa faz parte do Centro Max Planck-Nova York sobre Fenômenos Quânticos Não Equilíbrio, envolvendo colaborações com Columbia, o Instituto Flatiron e a Universidade Cornell. Para investigar os materiais, a equipe desenvolveu um espectroscópio de terahertz compacto que reduz os comprimentos de onda da luz de cerca de 1 milímetro para 3 micrômetros, permitindo a observação direta dos movimentos de elétrons em amostras finas mais finas que um fio de cabelo humano.
Testes iniciais no grafeno revelaram ondas estacionárias inesperadas formadas por quasipartículas híbridas de luz-matéria conhecidas como polaritons plasmônicos. "A luz pode se acoplar a elétrons para formar quasipartículas híbridas de luz-matéria. Essas quasipartículas se movem como ondas e, sob certas condições, podem ser confinadas, assim como a onda estacionária em uma corda de violão," explicou Hope Bretscher, pós-doutoranda no MPSD e coautora principal.
A visão chave: as bordas dos materiais atuam naturalmente como espelhos, criando cavidades que confinam luz e elétrons. Em dispositivos multicamadas, essas cavidades — espaçadas por dezenas de nanômetros — permitem que plasmons interajam fortemente. "Descobrimos que as próprias bordas do material já atuam como espelhos," disse Gunda Kipp, estudante de doutorado no MPSD e autora principal.
A equipe, incluindo Marios Michael, desenvolveu uma teoria analítica usando parâmetros geométricos para prever frequências de quasipartículas e acoplamento luz-matéria. Essa ferramenta poderia ajudar a projetar materiais para fases quânticas específicas variando fatores como densidade de portadores ou temperatura. "Descobrimos uma camada oculta de controle em materiais quânticos e abrimos um caminho para moldar interações luz-matéria," disse McIver.
Descrita como serendípica, a descoberta abre caminho para aplicações mais amplas em tecnologias quânticas. O espectroscópio agora está sendo usado para explorar outros materiais 2D em Hamburgo e Nova York.