Pesquisa liderada pelo CBPF identifica efeito quântico inédito em material bidimensional

Estudo publicado na revista Nature Communications apresenta evidências do efeito Aharonov-Bohm óptico em um material bidimensional e abre novas possibilidades para investigar fenômenos quânticos.

O que acontece quando partículas muito pequenas percorrem caminhos diferentes dentro de um material e interferem umas com as outras? Na escala quântica, esse comportamento pode produzir efeitos surpreendentes, inclusive alterações na luz emitida pelo material. Foi um desses fenômenos que uma equipe liderada por Andreij C. Gadelha, pesquisador do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), identificou em um estudo publicado na revista Nature Communications.

O estudo apresenta evidências experimentais do chamado efeito Aharonov-Bohm óptico em um material bidimensional formado por duas camadas atômicas de dissulfeto de molibdênio (MoS₂), ligeiramente giradas uma em relação à outra. É a primeira vez que esse fenômeno é identificado em um material de moiré, uma estrutura que surge da sobreposição de camadas com pequenas diferenças de orientação.

O efeito Aharonov-Bohm é uma manifestação da mecânica quântica que mostra como o magnetismo pode influenciar o comportamento de partículas carregadas mesmo quando elas percorrem regiões onde não há campo magnético. Essa influência está relacionada ao caminho percorrido pelas partículas e pode ser identificado por mudanças em fenômenos de interferência quântica.

No estudo, os pesquisadores observaram que a intensidade da luz emitida pelo material varia periodicamente à medida que um campo magnético é aplicado. Essas oscilações são a assinatura óptica do efeito Aharonov-Bohm e revelam informações sobre o movimento das partículas no interior da estrutura.

Uma pista microscópica para partículas quânticas

Para compreender o resultado, é preciso conhecer os excitons. Quando a luz atinge um material semicondutor, pode transferir energia a um elétron, fazendo ele deixar sua posição original. O espaço deixado para trás se comporta como uma carga positiva, chamada buraco. Como possuem cargas opostas, elétron e buraco se atraem e podem formar um par ligado: o exciton.

Essas partículas compostas podem se movimentar pelo material e, quando o elétron e o buraco se recombinam, emitem luz. É justamente essa emissão que permite aos pesquisadores investigar seu comportamento.

No material estudado, a pequena rotação entre as duas camadas de MoS₂ faz surgir um novo desenho, formado pela sobreposição das estruturas atômicas das duas camadas. Esse padrão, conhecido como moiré, se repete ao longo do material e modifica suas propriedades eletrônicas, criando regiões capazes de confinar os excitons em estruturas nanométricas.

No sistema investigado, essas regiões têm formato triangular. Os elétrons e os buracos ficam associados a diferentes partes dessas estruturas, permitindo que o par percorra trajetórias fechadas ao longo de suas bordas. Quando um campo magnético é aplicado, a interferência entre os caminhos quânticos altera a intensidade da luz emitida.

A periodicidade das oscilações observadas também fornece informações sobre a área dessas trajetórias, permitindo relacionar o comportamento quântico à geometria da estrutura de moiré.

Novas possibilidades

Até então, o efeito Aharonov-Bohm óptico havia sido observado em nanoestruturas semicondutoras artificiais, fabricadas especialmente para esse tipo de investigação. O novo resultado mostra que o fenômeno também pode surgir em materiais bidimensionais, nos quais a própria organização das camadas atômicas cria as condições necessárias para sua manifestação.

Além das oscilações na emissão de luz, o estudo identificou outro comportamento interessante: sob campos magnéticos moderados, os biexcitons – estruturas temporárias formadas quando dois excitons se aproximam e se ligam por forças de atração – podem atingir uma polarização de spin próxima de 100%. Isso significa que quase todos se concentram em um mesmo estado de spin. O spin é uma propriedade quântica das partículas, relacionada ao seu momento angular intrínseco. O controle dessa propriedade é investigado em áreas como a spintrônica, que busca explorar o spin dos elétrons no desenvolvimento de novas tecnologias.

Os resultados abrem caminhos para investigar outros materiais bidimensionais, compreender como a geometria das camadas influencia os fenômenos quânticos e explorar formas de controlar essas propriedades por meio de campos magnéticos e estímulos elétricos. Entre as possibilidades futuras estão o desenvolvimento de emissores de luz controláveis e aplicações em tecnologias quânticas.

O próximo passo da equipe é realizar experimentos em campos magnéticos mais intensos, além de estender a investigação a outros materiais e estudar como controlar eletricamente as trajetórias das partículas.

Colaboração científica

Andreij C. Gadelha, pesquisador do CBPF e primeiro autor do artigo, liderou a análise dos dados, a interpretação dos resultados e a redação do trabalho. A caracterização estrutural das amostras por microscopia de força atômica (AFM) contou com a participação de Danian A. Dugato, pesquisador colaborador do CBPF.

O estudo reuniu ainda equipes da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), da Universidade Federal do Ceará (UFC), da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais (NIMS), no Japão.