Mais um passo rumo ao controle da matéria pela luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/04/2023

Os pesquisadores comparam essa partícula híbrida a "um elétron vestido com luz".
[Imagem: S. Ito et al. - 10.1038/s41586-023-05850-x]

Matéria controlada pela luz

Imagine uma época na qual as propriedades dos materiais possam ser alteradas sob demanda simplesmente disparando sobre eles uma luz adequada.

É muito futurístico, mas não impossível.

Há cerca de 10 anos, uma equipe demonstrou na prática pela primeira vez como fótons e elétrons podiam se mesclar, em uma autêntica união de luz e matéria.

Ao ficarem inteiramente "conectados" - tudo o que acontece ao fóton, imediatamente afeta o elétron, e vice-versa - o que se vê é um estado que é periódico tanto no tempo quanto no espaço, uma "dança" muito precisa - esses híbridos entre elétrons e fótons são chamados pelos físicos de bandas Floquet-Bloch.

Agora, Suguru Ito e colegas da Universidade de Regensburgo, na Alemanha, mergulharam nessa dança de matéria e energia em uma profundidade onde nenhum físico havia ido antes.

Reações ópticas

A equipe conseguiu fazer vídeos reais - e não apenas simulações - dos elétrons em movimento com uma resolução temporal menor do que um único ciclo de oscilação da onda eletromagnética de luz, o fóton. Como resultado, eles fizeram uma descoberta imprevista: "Surpreendentemente, as bandas Floquet já se formam após um único ciclo óptico," disse Ito.

Tendo estabelecido o limite de tempo fundamental para essa engenharia de materiais induzida pela luz, a descoberta da equipe pode levar a uma nova era da ciência dos materiais, permitindo a criação de novas funcionalidades sob demanda.

"A descoberta de novas propriedades de materiais geralmente depende da nossa capacidade de controlar a composição química do material," comentou o professor Ulrich Hofer. "A manipulação puramente óptica das propriedades dos materiais pode levar a física a uma nova era, permitindo novas funcionalidades sob demanda."

Quando elétrons (esferas) na superfície de um isolante topológico são acelerados por fortes ondas de luz de acordo com sua estrutura de banda (cone mais baixo), surgem réplicas Floquet-Bloch (cones mais altos) da estrutura de banda original.
[Imagem: Brad Baxley (parttowhole.com)]

Híbrido elétron-luz

A novidade deste trabalho está na visualização direta de como a interação luz-matéria ocorre em um cristal sólido.

Para isso, a equipe observou os elétrons na superfície do isolante topológico telureto de bismuto, um tipo de cristal que transmite eletricidade apenas na sua superfície, mas não em seu interior. Nesse material, os elétrons podem se mover balisticamente por longos períodos, sem se dispersar. Empregando pulsos de luz intensos, os pesquisadores conseguiram conduzir esses elétrons periodicamente através do cristal.

Isso levou a um efeito quântico exótico, fazendo com que os elétrons tivessem não apenas um estado de energia fixo, mas muitos estados de energia igualmente espaçados pela energia do fóton - essas são as chamadas bandas Floquet-Bloch, híbridos entre elétrons e fótons, ilustradas pelos cones sobrepostos da figura acima.

A equipe pretende agora usar sua técnica para gravar vídeos em câmera lenta do movimento dos elétrons em seus orbitais em moléculas e átomos individuais, e começar a pesquisar aplicações práticas do fenômeno.

"Nosso experimento abre a possibilidade de visualizar um grande número de estados quânticos transitórios. Isso abre caminho para funcionalidades quânticas personalizadas e eletrônicos ultrarrápidos," disse o professor Rupert Huber.

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