Cientistas demonstraram um método que faz com que excítons escuros—quasipartículas que normalmente não produzem radiação visível—emitam luz de forma intensa e controlável. A experiência, realizada por uma equipa internacional liderada pela Universidade Cidade de Nova York, alcançou um ganho de emissão de 300 000 vezes e permite manipular esses estados com resolução nanométrica, criando oportunidades para eletrónica, fotónica e computação quântica.
Como o fenómeno foi obtido
O grupo projetou uma cavidade óptica em nanoescala constituída por nanotubos de ouro e uma monocamada de dissulfeto de tungstênio (WSe2), material com apenas três átomos de espessura. Essa arquitetura concentrou e amplificou o acoplamento luz-matéria, tornando visível a radiação anteriormente indetetável dos excítons escuros. O aumento recorde de 300 000 vezes não só revelou o brilho dessas quasipartículas como permitiu controlá-las por campos elétricos e magnéticos.
Segundo o professor Andrea Alù, coordenador do estudo, o resultado demonstra que “estados de luz-matéria antes inacessíveis podem agora ser ativados e desativados sob comando”, preservando as propriedades originais do material. A abordagem difere de tentativas anteriores porque mantém a integridade do semicondutor 2D e, ao mesmo tempo, alcança forte realce na emissão.
O que são excítons escuros e por que importam
Um excíton forma-se quando um eletrão de carga negativa se liga a uma lacuna de carga positiva dentro de um semicondutor. No caso dos excitons “claros”, essa recombinação liberta um fóton. Já os excítons escuros violam regras de seleção quânticas que regem a conservação de momento e spin, impedindo a emissão espontânea de luz. Apesar disso, apresentam tempos de vida longos e fraca interação com o ambiente, características valiosas para dispositivos quânticos estáveis.
Detectar esses estados sempre foi problemático porque o sinal ótico é praticamente nulo. Ao intensificar a emissão dentro de uma cavidade ressonante, os investigadores não apenas visualizaram os excítons escuros como identificaram uma nova família com spin proibido, até então desconhecida. De acordo com o autor Jiamin Quan, a descoberta abre a possibilidade de sondar “muitos outros estados quânticos ocultos” em materiais bidimensionais.
Imagem: NewsUp Brasil
Aplicações potenciais em várias áreas
Controlar excítons escuros pode unir as vantagens da eletrónica tradicional com a comunicação por luz, resultando em componentes mais rápidos, compactos e eficientes em energia. Entre as aplicações consideradas estão:
- Computação quântica: os longos tempos de coerência dos excítons escuros podem servir como portadores de informação quântica menos suscetíveis a ruído.
- Fotónica integrada: a emissão controlável permite criar fontes de luz em escala nanométrica para circuitos optoeletrónicos.
- Sensores avançados: a interação sensível com campos externos pode ser explorada para detetar variações mínimas de temperatura, pressão ou campos magnéticos.
- Telecomunicações: a conversão eficiente entre sinais eletrónicos e fotónicos favorece ligações de alta velocidade com menor consumo energético.
Próximos passos da investigação
Os autores planeiam ampliar o método a outros dicalcogenetos de metais de transição e explorar geometrias de cavidade diversificadas para alcançar ainda maior controlo sobre as quasipartículas. Também pretendem integrar a tecnologia em plataformas CMOS, a fim de aproximar o conceito de aplicações comerciais.
Para a comunidade científica, o estudo demonstra que a engenharia de nanocavidades permite ultrapassar limitações fundamentais impostas pelas leis da mecânica quântica. Com o acesso a estados outrora invisíveis, novos paradigmas em processadores óticos, memórias quânticas e dispositivos de deteção podem surgir nos próximos anos.
