Quasipartículas para computação de última geração usam pirâmide como fio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/12/2023

As bordas da pirâmide funcionam como fios perfeitos para os éxcitons.
[Imagem: Zidong Li et al. - 10.1021/acsnano.3c04870]

Excitônica

Os éxcitons estão entre as quasipartículas mais pesquisadas atualmente porque podem fazer a diferença em virtualmente todas as formas de computação, seja criando o semicondutor mais rápido do mundo, seja fazendo uma ponte entre a computação eletrônica e a quântica, seja abrindo caminho para uma computação quântica a temperatura ambiente.

Éxcitons são como partículas compostas - por isso chamadas de quasipartículas -, formadas pelo acoplamento de uma carga negativa (um elétron) com uma carga positiva (uma lacuna), no interior de um material sólido, tipicamente um isolante ou um semicondutor - os cientistas agora já estão trabalhando até com "éxcitons escuros".

Os éxcitons são fáceis de converter de e para luz, abrindo caminho para computadores extremamente rápidos e eficientes que usem uma combinação de óptica e "excitônica", em vez de eletrônica. E também podem codificar informações quânticas e mantê-las por mais tempo do que os elétrons.

Agora, tudo isto está mais próximo da realidade graças ao trabalho de Zidong Li e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA.

Li criou um "fio" por onde os éxcitons podem se mover, abrindo caminho para transformar todas essas possibilidades em realidades - apesar de serem muito interessantes, a falta de carga líquida torna os éxcitons muito difíceis de mover.

Fio condutor para éxcitons

O "fio" na verdade é o vértice de uma pirâmide revestida com o semicondutor disseleneto de tungstênio (WSe2), um material de apenas três átomos de espessura que também está sendo explorado na computação quântica.

Um laser pulsado cria uma nuvem de éxcitons em um dos cantos da base da pirâmide, fazendo elétrons saltarem para fora da banda de valência do semicondutor para a banda de condução. Mas os elétrons carregados negativamente ainda são atraídos para as lacunas positivamente carregadas, deixadas para trás na banda de valência. E o estiramento no semicondutor - ele é aplicado como se fosse um revestimento bem esticado - muda o cenário energético que os éxcitons experimentam.

Parece contra-intuitivo que os éxcitons subam pela borda da pirâmide e se estabeleçam no topo, quando imaginamos uma paisagem energética governada principalmente pela gravidade. Mas, em vez disso, a paisagem é governada pela distância entre as bandas de valência e de condução do semicondutor. A lacuna de energia entre os dois, também conhecida como banda proibida (bandgap) do semicondutor, diminui onde o semicondutor é esticado. Os éxcitons migram para o estado de energia mais baixo, canalizados para a borda da pirâmide, de onde então sobem até o seu pico, confinados em uma dimensão similar a um fio.

Ilustração do efeito que "corrige" a relação de Einstein por um fator superior a 10.
[Imagem: Zidong Li et al. - 10.1021/acsnano.3c04870]

Relação de Einstein

Ao observar esse comportamento inusitado das quasipartículas, os pesquisadores observaram uma violação dramática da relação de Einstein, que é usada para descrever como as partículas se espalham no espaço. Eles então aproveitaram-se dessa violação para mover éxcitons em pacotes muito menores do que era possível anteriormente.

A equação escrita por Einstein é boa para descrever como um grupo de partículas se difunde para fora e se desloca. No entanto, o semicondutor é imperfeito e esses defeitos funcionam como armadilhas que prendem alguns dos éxcitons que tentam passar. Como os defeitos no lado de trás da nuvem de éxcitons foram preenchidos, esse lado da distribuição difunde-se para fora conforme previsto. A porção da frente, no entanto, não se estende tão longe, o que torna a relação de Einstein incorreta em um fator superior a 10.

"Não estamos dizendo que Einstein estava errado, mas mostramos que, em casos complicados como este, não deveríamos usar sua relação para prever a mobilidade dos éxcitons a partir da difusão," disse o professor Matthias Florian.

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