(Notícias Nanowerk) Em 2018, uma descoberta na ciência dos materiais enviou ondas de choque por toda a comunidade. Uma equipe mostrou que empilhar duas camadas de grafeno em um preciso ângulo mágico transformou-o em um supercondutor, diz Ritesh Agarwal, da Universidade da Pensilvânia. Isso despertou o campo de twistrônicarevelando que a torção de materiais em camadas poderia desbloquear propriedades extraordinárias dos materiais.
Com base neste conceito, Agarwal, o físico teórico da Penn, Eugene Mele, e colaboradores levaram a twistrônica para um novo território. Em um estudo publicado em Natureza (“Efeito Corridor opto-twistrônico em uma rede espiral tridimensional”), eles investigaram o dissulfeto de tungstênio empilhado em espiral (WS2) cristais e descobriu que, ao torcer essas camadas, a luz poderia ser usada para manipular elétrons. O resultado é análogo à força de Coriolis, que curva os caminhos dos objetos em um quadro giratório, da mesma forma que o vento e as correntes oceânicas se comportam na Terra.
“O que descobrimos é que simplesmente torcendo o materials, poderíamos controlar como os elétrons se movem”, diz Agarwal, Srinivasa Ramanujan Distinguished Scholar na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas. Este fenômeno ficou particularmente evidente quando a equipe lançou luz circularmente polarizada no WS2 espirais, fazendo com que os elétrons se desviem em diferentes direções com base na torção interna do materials.
As origens das últimas descobertas da equipe remontam aos primeiros dias dos bloqueios pandêmicos do COVID-19, quando o laboratório foi fechado e a primeira autora, Zhurun (Judy) Ji, estava concluindo seu doutorado.
Incapaz de conduzir experimentos físicos no espaço, ela mudou seu foco para um trabalho mais teórico e colaborou com Mele, o Distinto Professor de Física Christopher H. Browne na Escola de Artes e Ciências. Juntos, eles desenvolveram um modelo teórico para o comportamento dos elétrons em ambientes distorcidos, baseado na especulação de que uma rede continuamente torcida criaria uma paisagem estranha e complexa onde os elétrons poderiam exibir novos comportamentos quânticos.
“A estrutura desses materiais lembra o DNA ou uma escada em espiral. Isso significa que as regras usuais de periodicidade em um cristal – onde os átomos ficam em padrões ordenados e repetidos – não se aplicam mais”, diz Ji.
Com a chegada de 2021 e o levantamento das restrições à pandemia, Agarwal soube durante uma conferência científica que o ex-colega Tune Jin, da Universidade de Wisconsin-Madison, estava cultivando cristais com uma torção espiral contínua. Reconhecendo que o WS espiralado e distorcido de Jin2 os cristais eram o materials perfeito para testar as teorias de Ji e Mele, Agarwal providenciou para que Jin enviasse um lote. Os resultados experimentais foram intrigantes.
Mele diz que o efeito refletiu a força de Coriolis, uma observação que geralmente está associada às misteriosas deflexões laterais observadas em sistemas rotativos. Matematicamente, esta força se assemelha muito a uma deflexão magnética, explicando por que os elétrons se comportavam como se um campo magnético estivesse presente mesmo quando não havia nenhum. Este perception foi essential, pois uniu a torção do cristal e a interação com a luz circularmente polarizada.
Agarwal e Mele comparam a resposta do elétron ao clássico Efeito Corridor em que a corrente que flui através de um condutor é desviada lateralmente por um campo magnético. Mas, embora o efeito Corridor seja impulsionado por um campo magnético, aqui “a estrutura retorcida e a força semelhante à de Coriolis guiavam os eletrões”, diz Mele. “A descoberta não consistiu apenas em encontrar esta força; tratava-se de compreender quando e por que aparece e, mais importante, quando não deveria.”
Um dos maiores desafios, acrescenta Mele, foi que, uma vez reconhecido que esta deflexão de Coriolis poderia ocorrer num cristal torcido, parecia que a ideia estava a funcionar demasiado bem. O efeito apareceu tão naturalmente na teoria que parecia difícil desligá-lo, mesmo em cenários onde não deveria existir. Demorou quase um ano para estabelecer as condições exatas sob as quais este fenômeno poderia ser observado ou suprimido.
Agarwal compara o comportamento dos elétrons nesses materiais a “descer um escorregador em um parque aquático. Se um elétron descesse em linha reta, como as redes de materiais convencionais, tudo seria suave. Mas, se você descer por um escorregador em espiral, será uma experiência completamente diferente. O elétron sente forças empurrando-o em diferentes direções e sai do outro lado alterado, como se estivesse um pouco ‘tonto’”.
Esta “tontura” é particularmente entusiasmante para a equipa porque introduz um novo grau de controlo sobre o movimento dos electrões, alcançado puramente através da torção geométrica do materials. Além do mais, o trabalho também revelou uma forte não linearidade óptica, o que significa que a resposta do materials à luz foi amplificada significativamente.
“Em materiais típicos, a não linearidade óptica é fraca”, diz Agarwal, “mas no nosso sistema torcido é notavelmente forte, sugerindo aplicações potenciais em dispositivos e sensores fotônicos”.
Outro aspecto do estudo foram os padrões moiré, que são resultado de um leve desalinhamento angular entre as camadas que desempenha um papel significativo no efeito. Neste sistema, a escala de comprimento moiré – criada pela torção – está no mesmo nível do comprimento de onda da luz, possibilitando que a luz interaja fortemente com a estrutura do materials.
“Essa interação entre a luz e o padrão moiré adiciona uma camada de complexidade que aprimora os efeitos que estamos observando”, diz Agarwal, “e esse acoplamento é o que permite que a luz controle o comportamento dos elétrons de forma tão eficaz”.
Quando a luz interagiu com a estrutura torcida, a equipe observou funções de onda complexas e comportamentos não vistos em condições normais. materiais bidimensionais. Este resultado está vinculado ao conceito de “quantidades geométricas quânticas de ordem superior”, como os multipolos de curvatura de Berry, que fornecem informações sobre os estados e comportamentos quânticos do materials. Essas descobertas sugerem que a torção altera fundamentalmente a estrutura eletrônica, criando novos caminhos para controlar o fluxo de elétrons de uma forma que os materiais tradicionais não conseguem.
E, finalmente, o estudo descobriu que, ajustando ligeiramente a espessura e a lateralidade do WS2 espirais, eles poderiam ajustar a força do efeito Corridor óptico. Esta sintonização sugere que estas estruturas torcidas podem ser uma ferramenta poderosa para projetar novos materiais quânticos com propriedades altamente ajustáveis.
“Sempre fomos limitados na forma como podemos manipular o comportamento dos elétrons nos materiais. O que mostramos aqui é que, ao controlar a torção, podemos introduzir propriedades completamente novas”, diz Agarwal. “Estamos apenas arranhando a superfície do que é possível. Com a estrutura em espiral oferecendo uma nova forma de interação entre fótons e elétrons, estamos entrando em algo completamente novo. O que mais este sistema pode revelar?”