Preso numa gaiola magnética
Surpreendentemente eficiente mecanismo descoberto com o qual o movimento dos electrões pode ser limitado a uma dimensão
Controlar a forma como os electrões interagem nos semicondutores é crucial para o desenvolvimento de componentes electrónicos e ópticos. Os físicos da Universidade de Regensburg descobriram agora um novo mecanismo surpreendentemente eficiente que permite variar a interação entre os electrões e limitar o seu movimento a uma dimensão: a ordem magnética.
O alinhamento de spin antiparalelo em camadas vizinhas do cristal magnético CrSBr restringe os excitões fortemente ligados a uma dimensão, pelo que as energias de ligação no interior e na superfície do cristal são muito diferentes
Brad Baxley
A eletrónica e a optoelectrónica do futuro estão mais dependentes do que nunca de componentes ultra-compactos. Camadas atómicas finas dos chamados dicalcogenetos de metais de transição, que podem ser removidas de cristais a granel com fita adesiva, têm sido, por isso, o foco da investigação do estado sólido desde há vários anos. Uma vez que os electrões nestas camadas ultra-finas só se podem afastar uns dos outros a duas dimensões, a sua interação é particularmente forte. Este facto é particularmente evidente nas propriedades ópticas. Quando a luz atinge estes materiais, os electrões podem ser energizados e deixar um defeito de carga positiva, o chamado buraco, na sua posição original.
Devido à sua carga oposta, o eletrão pode orbitar o buraco e assim formar um estado ligado semelhante a um átomo, o chamado excitão. Estas partículas conferem ao material propriedades ópticas completamente novas, que podem ser personalizadas através de ajustamentos estruturais, como o empilhamento de diferentes camadas atomicamente finas - perspectivas tentadoras para o desenvolvimento de células solares e LEDs de espessura reduzida. No entanto, as aplicações práticas baseadas nestes materiais têm sido até agora difíceis de realizar, uma vez que os métodos actuais de produção de camadas atómicas não são compatíveis com a produção industrial em massa.
Uma equipa internacional de físicos de Regensburg, Ann Arbor, Praga e Dresden, procurando formas alternativas de confinar e controlar espacialmente os electrões, descobriu agora um novo mecanismo no extraordinário material brometo de sulfureto de crómio (CrSBr) que não depende de ajustamentos estruturais. O material CrSBr tem uma estrutura em camadas em que os spins dos electrões - uma propriedade mecânica quântica que gera um momento magnético - estão todos alinhados numa direção dentro de uma camada atomicamente fina. A direção do spin das camadas vizinhas depende da temperatura ambiente. Se os spins de duas camadas vizinhas estiverem alinhados de forma antiparalela, o movimento dos electrões poderá ficar limitado a uma única camada atómica, formando assim uma "gaiola magnética".
Para testar esta hipótese, a equipa do Prof. Rupert Huber, em Regensburg, utilizou flashes laser ultracurtos, com uma duração de apenas alguns femtossegundos - cem triliões de vezes mais rápidos do que um piscar de olhos - para excitar excitões no material. Um segundo impulso ultracurto de luz, selecionado na região do infravermelho médio do espetro eletromagnético, sondou os níveis de energia atómicos dos excitões, estimulando transições específicas entre diferentes orbitais.
Através deste método, que pode ser imaginado como uma câmara de filmar em câmara lenta, os investigadores estudaram o comportamento dos excitões. Isto deu-lhes uma visão da sua energia de ligação, movimento e tempo de vida e permitiu-lhes mesmo controlar a força de ligação dos excitões num cristal de CrSBr. Os cristais de alta qualidade necessários para isso foram cultivados pela equipa do Prof. Zdeněk Sofer em Praga. Ao variar sistematicamente a temperatura, a equipa de investigação observou uma mudança súbita na estrutura energética dos excitões, que está diretamente relacionada com a ordem magnética do material.
Uma teoria quântica complexa, desenvolvida pelo grupo do Prof. Mackillo Kira na Universidade de Michigan, analisou esta mudança de energia a um nível microscópico. Descobriram que a dimensionalidade dos excitões é determinada pela ordem magnética. Como era de esperar, o alinhamento antiparalelo dos spins a baixas temperaturas leva a que os electrões e os buracos fiquem confinados a uma única camada do material. Em combinação com a estrutura cristalina especial do CrSBr, esta "gaiola magnética" restringe ainda mais o movimento dos excitões dentro do plano. Como resultado, os excitões estão essencialmente confinados a uma única dimensão, o que conduz a energias de ligação elevadas, mesmo em cristais com centenas de camadas. No entanto, à medida que a temperatura aumenta, o alinhamento dos spins perde-se, quebrando a gaiola magnética. Os excitões podem novamente mover-se livremente ao longo de todas as dimensões espaciais e espalhar-se por várias camadas, o que reduz drasticamente a sua energia de ligação, mas ao mesmo tempo prolonga o seu tempo de vida.
"Foi fascinante ver como conseguimos alterar abruptamente o comportamento destes excitões através do arrefecimento do material. Para garantir que este comportamento se devia claramente à transição de fase magnética, aplicámos um campo magnético externo noutra experiência. Isto permitiu-nos controlar efetivamente a temperatura a que a gaiola magnética se abre", explica Marlene Liebich, a primeira autora do estudo. "A ordenação magnética proporciona um novo controlo para adaptar os excitões e as suas interações. Isto poderá alterar significativamente as futuras tecnologias da eletrónica e da informação", acrescenta o Dr. Niloufar Nilforoushan, um dos autores do estudo.
Uma segunda publicação, em conjunto com colegas de Dresden, Nova Iorque e Praga, publicada simultaneamente na revista científica Nature Materials, complementa estes resultados de uma forma excelente. Neste estudo, o confinamento magnético dos excitões foi demonstrado utilizando um método de medição diferente, em que foi analisada a luz reflectida pela superfície da amostra. O Dr. Florian Dirnberger, autor de ambas as publicações, está entusiasmado: "Surpreendentemente, o confinamento magnético é tão eficaz que é possível distinguir excitões em diferentes camadas atomicamente finas do material". De facto, a equipa descobriu que os excitões têm propriedades significativamente diferentes na superfície do que no interior do material.
Estes resultados abrem possibilidades interessantes para futuros dispositivos spintrónicos e para o controlo orientado das transições de fase - uma perspetiva única para as tecnologias de processamento da informação. Os excitões de superfície recentemente observados poderão também contribuir significativamente para estes avanços, uma vez que as suas diferentes propriedades são particularmente importantes para aplicações de sensores.
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Publicação original
M. Liebich, M. Florian, N. Nilforoushan, F. Mooshammer, A. D. Koulouklidis, L. Wittmann, K. Mosina, Z. Sofer, F. Dirnberger, M. Kira, R. Huber; "Controlling Coulomb correlations and fine structure of quasi-one-dimensional excitons by magnetic order"; Nature Materials, 2025-2-19
Yinming Shao, Florian Dirnberger, Siyuan Qiu, Swagata Acharya, Sophia Terres, Evan J. Telford, Dimitar Pashov, Brian S. Y. Kim, Francesco L. Ruta, Daniel G. Chica, Avalon H. Dismukes, ... Rupert Huber, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy, Mark van Schilfgaarde, Alexey Chernikov, D. N. Basov; "Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet"; Nature Materials, 2025-2-19
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