Uma reviravolta nas folhas atômicas para criar novos materiais

A forma como a luz interage com materiais naturais é bem compreendida na física e na ciência dos materiais. Mas nas últimas décadas, os investigadores fabricaram metamateriais que interagem com a luz de novas formas que vão além dos limites físicos impostos aos materiais naturais.

Um metamaterial é composto de arranjos de “metaátomos”, que foram fabricados em estruturas desejáveis ​​na escala de cerca de cem nanômetros. A estrutura de matrizes de metaátomos facilita interações precisas entre luz e matéria. No entanto, o grande tamanho dos metaátomos em relação aos átomos regulares, que são menores que um nanômetro, limitou o desempenho dos metamateriais para aplicações práticas.

Agora, uma equipe de pesquisa colaborativa liderada por Bo Zhen, da Universidade da Pensilvânia, revelou uma nova abordagem que projeta diretamente estruturas atômicas de materiais, empilhando as matrizes bidimensionais em formações espirais para explorar uma nova interação luz-matéria. Esta abordagem permite que os metamateriais superem as atuais limitações técnicas e abra caminho para lasers, imagens e tecnologias quânticas de próxima geração. Suas descobertas foram publicadas na revista Fotônica da Natureza.

“É semelhante a empilhar um baralho de cartas, mas torcendo ligeiramente cada carta antes de adicioná-la à pilha”, diz Zhen, autor sênior do artigo e professor assistente na Escola de Artes e Ciências da Penn. “Essa reviravolta muda a forma como todo o ‘deck’ responde à luz, permitindo-lhe exibir novas propriedades que camadas individuais, ou pilhas tradicionais, não possuem.”

Bumho Kim, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Zhen e primeiro autor do artigo, explica que ao empilhar camadas de um material chamado dissulfeto de tungstênio (WS₂) e torcendo-os em determinados ângulos, eles introduziram o que é conhecido como simetrias de parafuso.

“A mágica está em controlar a reviravolta”, explica Kim. “Quando você torce as camadas em ângulos específicos, você altera a simetria da pilha. Simetria, neste contexto, refere-se a como certas propriedades dos materiais – como a forma como eles interagem com a luz – são limitadas por seu arranjo espacial.”

Ao ajustar esse arranjo em escala atômica, os pesquisadores distorceram as regras do que esses materiais podem fazer e ao controlar a torção em múltiplas camadas de WS₂eles criaram o que é conhecido como materiais ópticos não lineares 3D.

Kim explica que uma única camada de WS₂ tem simetrias particulares, que permitem certos tipos de interações com a luz, onde dois fótons em uma determinada frequência podem interagir com o material para produzir um novo fóton com o dobro da frequência, um processo conhecido como geração de segundo harmônico (SHG).

“Mas, quando duas camadas de WS₂ são empilhados com um ângulo de torção diferente do convencional 0° ou 180°, todas as simetrias de espelho que estavam presentes na camada única são quebradas”, diz Kim. “Essa simetria de espelho quebrada é crucial porque leva a uma resposta quiral – algo inteiramente novo e não visto nas camadas individuais.”

Os pesquisadores explicam que a resposta quiral é significativa porque é um efeito cooperativo resultante do acoplamento entre as funções de onda eletrônicas das duas camadas, fenômeno que só pode surgir em interfaces torcidas.

Uma propriedade interessante, acrescenta Zhen, é que o sinal da resposta não linear quiral muda quando o ângulo de torção é invertido. Isso demonstra controle direto sobre as propriedades não lineares, simplesmente alterando o ângulo de torção entre as camadas – um nível de ajuste que pode ser revolucionário para projetar materiais ópticos com respostas personalizadas.

Passando de bicamadas para tricamadas e além, os pesquisadores observaram como as respostas interfaciais do SHG podem interferir de forma construtiva ou destrutiva, dependendo dos ângulos de torção entre as camadas.

Em uma pilha com camadas múltiplas de quatro, “as respostas quirais de todas as interfaces se somam, enquanto as respostas no plano são canceladas”, diz Kim. “Isso leva a um novo material que exibe apenas suscetibilidades quirais não lineares. Este resultado não poderia ser alcançado sem o empilhamento e torção precisos das camadas.”

Os pesquisadores descobriram que a simetria do parafuso permite uma nova seletividade para o campo elétrico da luz no material, uma parte da luz que determina sua direção e intensidade. Kim observa como eles descobriram que a simetria do parafuso permite um novo tipo de geração de luz em quatro e oito torcidos. pilhas de camadas, geração de terceiro harmônico polarizado contra-circularmente, em que a luz viaja na direção espiral oposta – uma qualidade não vista no WS constituinte₂ monocamadas.

“Adicionar uma simetria de parafuso artificial nos permite controlar a seletividade circular óptica não linear em nanoescala”, diz Kim.

Ao testar experimentalmente esta técnica, os pesquisadores verificaram as não linearidades previstas inerentes a várias configurações de WS torcidos.₂ pilhas. A equipe observou novas respostas não lineares e seletividade circular em WS torcidos₂ pilhas que não podem ser encontradas em WS que ocorrem naturalmente₂uma revelação que pode ter implicações profundas no campo da óptica não linear.