Quasipartícula escura agora brilha, com amplas aplicações nanotecnológicas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/12/2025

Heteroestrutura plasmônica que permitiu pela primeira vez controlar a emissão dos excítons escuros.
[Imagem: Jiamin Quan]

300.000 vezes melhor

Cientistas descobriram um modo de fazer com que estados de luz antes ocultos, conhecidos como excítons escuros, brilhem intensamente, e descobriram também como fazer isso de modo controlado.

Esta descoberta abre caminho para tecnologias mais rápidas, menores e com maior eficiência energética, afinal, os excítons estabelecem uma ponte entre a computação eletrônica e a comunicação óptica, aquela feita com luz em vez de eletricidade.

Os excítons escuros são estados exóticos resultantes da interação luz-matéria, e normalmente permanecem invisíveis porque não emitem luz ou a emitem muito fracamente - é por isso que eles são chamados "escuros". Essas quasipartículas, no entanto, são altamente promissoras para a computação quântica e para aplicações fotônicas avançadas devido às suas propriedades únicas de interação luz-matéria, longos tempos de vida e interação reduzida com o ambiente, o que lhes dá uma estabilidade difícil de conseguir em sistemas quânticos.

O problema é que é extremamente difícil até mesmo detectar essas partículas, já que elas praticamente não emitem nenhuma radiação eletromagnética.

Para revelar esses estados elusivos, a equipe projetou uma cavidade óptica em nanoescala usando nanotubos de ouro e uma única camada de disseleneto de tungstênio (WSe₂), um material com apenas três átomos de espessura. Essa configuração amplificou a emissão de luz dos excítons escuros em impressionantes 300.000 vezes, tornando-os não apenas visíveis, mas também controláveis.

"Este trabalho demonstra que podemos acessar e manipular estados de luz-matéria que antes eram inacessíveis," disse o professor Andrea Alù, da Universidade Cidade de Nova York. "Ao ativar e desativar esses estados ocultos à vontade e controlá-los com resolução nanométrica, abrimos oportunidades empolgantes para impulsionar de forma disruptiva as tecnologias ópticas e quânticas de próxima geração, incluindo para sensoriamento e computação."

Esquema do experimento e registro da "luz escura" que agora brilha forte.
[Imagem: Jiamin Quan et al. - 10.1038/s41566-025-01788-w]

O que é excíton escuro?

O excíton escuro é uma quasipartícula fruto da interação entre um elétron (carga negativa) e uma lacuna (carga positiva), que geralmente ocorre em materiais semicondutores, em pontos quânticos ou em materiais como os dicalcogenetos de metais de transição, como o WSe₂ usado nesta demonstração.

O excíton escuro não é bom emissor de luz porque o elétron e a lacuna não conseguem se recombinar de modo eficiente através da emissão de um fóton devido a regras de seleção quânticas - a transição entre o estado do excíton escuro e o estado fundamental não satisfaz as leis de conservação necessárias para a emissão espontânea de um fóton.

Ao reforçar sua emissão, a equipe demonstrou que esses estados escuros podem ser ajustados sob demanda usando campos elétricos e magnéticos, permitindo um controle preciso da emissão de luz, o que serve para aplicações em fotônica, sensores e comunicação quântica. Diferentemente de tentativas anteriores, a nova abordagem preserva as propriedades naturais do material, ao mesmo tempo que alcança um aumento recorde no acoplamento luz-matéria.

"Nosso estudo revela uma nova família de excítons escuros com spin proibido que nunca havia sido observada antes," disse o pesquisador Jiamin Quan. "Essa descoberta é apenas o começo - ela abre caminho para explorar muitos outros estados quânticos ocultos em materiais 2D."

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