A luz pode remodelar semicondutores finos como átomos para dispositivos ópticos de próxima geração

Pesquisadores da Rice College que estudam uma classe de semicondutores da espessura de um átomo, conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), descobriram que a luz pode desencadear uma mudança física em sua rede atômica, criando uma maneira ajustável de ajustar o comportamento e as propriedades dos materiais.

O efeito, observado em um subtipo de DTM nomeado em homenagem ao deus romano das transições de duas faces, Janus, poderia promover tecnologias que usam luz em vez de eletricidade, desde chips de computador mais rápidos e mais frios até sensores ultrassensíveis e dispositivos optoeletrônicos flexíveis.

“Em óptica não lineara luz pode ser remodelada para criar novas cores, pulsos mais rápidos ou interruptores ópticos que ligam e desligam os sinais, “disse Kunyan Zhang, ex-aluno de doutorado da Rice e primeiro autor de um estudo que documenta o efeito. “Materiais bidimensionais, que têm apenas alguns átomos de espessura, tornam possível construir essas ferramentas ópticas em uma escala muito pequena. “

O estudo é publicado no diário ACS Nano.

TMDs são cristais em camadas feitos de um metallic de transição como o molibdênio e duas camadas de um elemento calcogênio como enxofre ou selênio. Sua combinação de condutividade elétrica, absorção de luz e a flexibilidade mecânica os tornou uma das lessons mais versáteis de materiais para eletrônica e optoeletrônica de próxima geração.

Dentro desta família, os materiais Janus destacam-se pela sua assimetria – uma ideia refletida no seu nome. Tal como o seu homónimo mitológico, estes materiais têm duas rostos diferentes: Os átomos superiores e inferiores são feitos de espécies químicas diferentes, criando um desequilíbrio interno que dá ao cristal uma polaridade elétrica incorporada, tornando-o particularmente sensível à luz e a forças externas.

“Nosso trabalho explora como a estrutura dos materiais Janus afeta seu comportamento óptico e como a própria luz pode gerar uma força nos materiais”, disse Zhang.

Usando luz laser de cores diferentes, a equipe estudou como um materials Janus TMD de duas camadas – seleneto de enxofre e molibdênio empilhado dissulfeto de molibdênio—converte luz por meio de um processo chamado geração de segundo harmônico (SHG), no qual o materials emite luz com o dobro da frequência do feixe recebido. Eles descobriram que quando a luz recebida correspondia às ressonâncias naturais do materials, o padrão de luz de frequência dupla ficava distorcido, sinalizando que os átomos internos estavam sendo deslocados.

“Descobrimos que a luz brilhante no seleneto de enxofre e molibdênio Janus e no dissulfeto de molibdênio cria pequenas forças direcionais dentro do materials, que aparecem como mudanças em seu padrão SHG”, disse Zhang. “Normalmente, o sinal SHG forma uma flor de seis pontas que reflete a simetria do cristal. Mas quando a luz atinge os átomos, essa simetria se quebra – as pétalas do padrão encolhem de forma desigual.”

A equipe atribuiu a distorção à optostrição, um processo no qual o próprio campo eletromagnético da luz exerce um impulso mecânico sobre os átomos. Nos materiais Janus, esse impulso é amplificado pelo forte acoplamento entre as camadas atômicas, permitindo que mesmo forças mínimas produzam deformação mensurável.

“Os materiais Janus são ideais para isso porque a sua composição irregular cria um acoplamento melhorado entre as camadas, o que os torna mais sensíveis às pequenas forças da luz – forças tão pequenas que são difíceis de medir diretamente, mas podemos detectá-las através de mudanças no padrão de sinal SHG,” disse Zhang.

Essa sensibilidade poderia tornar esses materiais úteis muito além do laboratório. Os componentes que comutam ou encaminham a luz usando este princípio poderiam tornar os chips ópticos mais rápidos e muito mais eficientes em termos energéticos, uma vez que os circuitos baseados em luz geram menos calor do que a electrónica convencional. A mesma capacidade de resposta poderia ser aproveitada para criar sensores precisos capazes de detectar as menores vibrações ou mudanças de pressão ou fontes de luz ajustáveis ​​para monitores avançados e ferramentas de imagem.

“Esse controle ativo poderia ajudar a projetar chips fotônicos de próxima geração, detectores ultrassensíveis ou fontes de luz quântica – tecnologias que usam luz para transportar e processar informações em vez de depender de eletricidade”, disse Shengxi Huang, professor associado de engenharia elétrica e de computação e ciência de materiais e nanoengenharia na Rice e autor correspondente do estudo. Huang também é membro do Smalley-Curl Institute, do Rice Superior Supplies Institute e do Ken Kennedy Institute at Rice.

Ao mostrar como o desequilíbrio integrado dos TMDs Janus abre novas maneiras de orientar o fluxo de luz, o estudo destaca como pequenas características estruturais podem desbloquear um grande potencial tecnológico.