Metamateriais podem chegar à escala atômica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/12/2023

Impressão artística da luz viajando através do dissulfeto de tungstênio torcido. Isso leva a uma mudança na cor e na orientação do campo de luz (campo de luz helicoidal), revelando novas propriedades não observadas no material natural.
[Imagem: Ella Maru/UPenn]

Metamateriais e meta-átomos

O modo como a luz interage com os materiais naturais é bem compreendido na física e na ciência dos materiais. Mas, nas últimas décadas, os matemáticos descobriram que era possível construir materiais artificiais que interagem com a luz de formas totalmente inusitadas, que vão além dos limites físicos impostos aos materiais naturais.

De posse dessas teorias matemáticas, conhecidas como óptica transformacional, os cientistas então começaram a fabricar o que hoje conhecemos como metamateriais e metassuperfícies. Existem alguns tão bizarros quanto metamateriais que desafiam simultaneamente Einstein e a mecânica quântica, enquanto as metassuperfícies podem ir de qubits a geradores de energia mecânica.

Assim como um material natural é composto por redes de átomos, um metamaterial é composto de matrizes de meta-átomos, que podem ser fabricados em várias escalas, mas tipicamente menores do que a onda que se deseja manipular. Esses meta-átomos funcionam como antenas de luz ao interagir com as ondas eletromagnéticas, e têm sido fabricados na escala de cerca de 100 nanômetros.

Tem sido o suficiente para um sem-número de aplicações, mas o grande tamanho dos meta-átomos em relação aos átomos comuns - que são menores do que um nanômetro - tem limitado o desempenho dos metamateriais em várias aplicações práticas.

Mas essa limitação acaba de ser vencida por Bumho Kim e colegas da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, que demonstraram que é possível fazer meta-átomos na escala dos átomos naturais. Além de metamateriais e metassuperfícies muito mais versáteis e eficientes, isto também rompe com uma série de dificuldades envolvendo coisas como a computação com luz, ou processadores fotônicos, já que o comprimento de onda da luz é muito maior do que os componentes semicondutores usados nos chips eletrônicos atuais.

O ângulo de giro das camadas e o número de camadas determinam as novas propriedades que vão emergir do material 3D.
[Imagem: Bumho Kim et al. - 10.1038/s41566-023-01318-6]

Ângulo de torção

Os pesquisadores desenvolveram uma nova abordagem que projeta estruturas atômicas para um metamaterial empilhando diretamente camadas de materiais monoatômicos - uma só camada de átomos de espessura. Deslocando precisamente uma camada em relaçõa às outras, torna-se possível criar matrizes bidimensionais de meta-átomos que assumem formações espirais, o que cria novos modos de interação luz-matéria.

"É semelhante a empilhar um baralho de cartas, mas torcendo levemente cada carta antes de adicioná-la à pilha," explicou o professor Bo Zhen. "Essa virada muda a forma como todo o baralho responde à luz, permitindo-lhe exibir novas propriedades que camadas individuais, ou pilhas tradicionais, não possuem."

Esta abordagem permite que os metamateriais superem as atuais limitações técnicas e abre caminho para lasers, sistemas de imageamento e tecnologias quânticas de próxima geração.

Ao empilhar camadas de um material chamado dissulfeto de tungstênio (WS₂), estrela de uma série de tecnologias de ponta, e torcendo as camadas em determinados ângulos, a equipe criou o que é conhecido como simetrias de parafuso - não é muito diferente do famoso "ângulo mágico" que dá a folhas de grafeno empilhadas poderes que as camadas individuais não têm.

"A mágica está em controlar a torção," 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."

A twistrônica", ou flexotrônica, e o estudo dos quasicristais também se baseiam no deslocamento de camadas empilhadas de materiais.
[Imagem: Sergio C. de la Barrera]

Materiais ópticos não lineares 3D

Ao ajustar os arranjos das camadas em escala atômica, os pesquisadores distorceram as regras do que esses materiais podem fazer e, ao controlar a torção em múltiplas camadas de WS₂, ele criaram materiais ópticos não lineares 3D.

O WS₂ por si só tem propriedades muito interessantes, como 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 empilhadas com um ângulo de torção diferente dos convencionais 0° ou 180°, todas as simetrias espelhadas que estavam presentes na camada única são quebradas," explicou Kim. "Essa simetria espelhada quebrada é crucial porque leva a uma resposta quiral - algo inteiramente novo e não visto nas camadas individuais."

Uma propriedade interessante que emerge daí é que o sinal da resposta não linear quiral muda quando o ângulo de torção é invertido. Isso permite um 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.

E, conforme aumenta o número de camadas empilhadas, novos efeitos podem emergir. Os pesquisadores descobriram que a simetria de parafuso permite uma nova seletividade para o campo elétrico da luz no material, uma parte da luz que determina sua direção e intensidade. Por exemplo, a simetria de parafuso permite um novo tipo de geração de luz com quatro e oito camadas, uma geração de terceiro harmônico polarizado contra-circularmente, no qual a luz viaja na direção espiral oposta, uma qualidade não vista nas monocamadas individuais.

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