Ímanes luminosos: descoberta de quasipartículas na superfície de ímanes semicondutores
Alexey Chernikov e a sua equipa são especialistas na deteção de quasipartículas ópticas utilizando microscopia ultra-rápida. Juntamente com colegas internacionais, visualizaram recentemente um fenómeno quântico completamente novo: quasipartículas luminosas - conhecidas como excitões - que aparecem na superfície de um íman semicondutor. Até agora, pensava-se que só podiam existir no interior desses materiais. A equipa fez esta descoberta ao estudar camadas cristalinas ultra-finas - cada uma com apenas alguns átomos de espessura - do semicondutor quântico antiferromagnético brometo de sulfureto de crómio (CrSBr). As suas descobertas foram agora publicadas na revista Nature Materials.
Ímanes luminosos
think-design | Jochen Thamm
Quasipartículas em ímanes semicondutores
Os materiais quânticos estudados por Alexey Chernikov - Professor de Microscopia Ultra-rápida e Fotónica do Cluster de Excelência ct.qmat nas Universidades de Würzburg e Dresden - e pela sua equipa têm frequentemente apenas algumas camadas atómicas de espessura. A sua investigação centra-se na exploração de quasipartículas luminosas. Estas quasipartículas formam-se quando um impulso de luz excita um eletrão, deixando para trás um buraco com carga positiva. O eletrão e o buraco unem-se por atração eletrostática, comportando-se como uma nova entidade independente, semelhante a uma partícula. Estes excitões desempenham um papel crucial na absorção e emissão de luz, bem como na transmissão de energia e informação quântica. Os cientistas estão também a explorar o seu potencial para o armazenamento de luz.
Os excitões encontram-se normalmente em materiais não magnéticos, uma vez que a maioria dos ímanes são metálicos e não podem formar excitões estáveis. Mas o brometo de sulfureto de crómio (CrSBr) - um semicondutor quântico antiferromagnético - desafia essa regra. Este material único combina ordem magnética com propriedades semicondutoras. Além disso, as suas camadas cristalinas são mantidas unidas apenas por forças de van der Waals, o que permite a sua obtenção sob a forma de películas ultra-finas com apenas alguns átomos de espessura. A baixas temperaturas, os momentos magnéticos - chamados spins - em camadas adjacentes alinham-se em direcções opostas. A estrutura dos excitões luminescentes depende desta ordem magnética, o que significa que os cientistas podem manipular com precisão a absorção e emissão de luz utilizando campos magnéticos.
Captação de excitões
Para visualizar estas quasipartículas, a equipa de Chernikov utiliza métodos ópticos avançados, que lhes permitem detetar excitões em camadas atómicas individuais com menos de um nanómetro de espessura. Para referência, um nanómetro é a milionésima parte de um milímetro - apenas um pouco mais do que a distância entre dois átomos.
"No laboratório, não vimos apenas excitões nas profundezas do material - encontrámo-los também na superfície", diz o Professor Chernikov, que trabalha na filial de Dresden do ct.qmat. "Foi um passo fundamental para compreender estas estruturas quânticas fascinantes e invulgares. Os excitões de superfície reflectem e emitem luz numa cor ligeiramente diferente da dos que se encontram no interior do material e, por isso, conseguimos vê-los." A ideia de procurar os excitões de superfície surgiu de conversas da equipa de investigação com um colega da Universidade de Regensburg que faz parte deste projeto, recorda. "Examinámos o material ao mesmo tempo em Dresden e em Nova Iorque, utilizando diferentes preparações de amostras e diferentes equipamentos de medição. No entanto, obtivemos os mesmos resultados, o que demonstra a sua elevada reprodutibilidade. Isso é algo que me deixa muito feliz!"
Brilho da superfície
Os excitões são criados quando os fotões atingem um semicondutor. Estas quasipartículas absorvem a luz, armazenam a sua energia e podem atravessar a camada de material. Quando se dissolvem, libertam a energia armazenada sob a forma de luz.
"Os excitões desempenham um papel fundamental no comportamento ótico dos nanomateriais", sublinha o Dr. Florian Dirnberger, que esteve envolvido na descoberta recentemente publicada como chefe de projeto em Dresden e que dirige agora um Grupo de Investigação Independente Emmy Noether na Universidade Técnica de Munique.
"Os excitões são conhecidos há muitas décadas", continua Dirnberger, "mas só nos últimos quatro anos é que os físicos de materiais começaram realmente a explorar o seu potencial quando os excitões são deliberadamente criados em cristais magnéticos. Para além de armazenarem e transportarem energia, podem transportar e libertar informação através da luz". E acrescenta: "Embora a investigação sobre estas quasipartículas exóticas ainda esteja a dar os primeiros passos, elas poderão vir a lançar as bases de novas tecnologias que combinem a fotónica e o magnetismo. As nossas descobertas representam um contributo importante para este domínio".
Sucesso internacional
Esta investigação é o resultado de uma colaboração internacional que envolveu cientistas dos EUA, Alemanha, Reino Unido, Países Baixos e República Checa. Combinando síntese avançada de materiais, espetroscopia altamente sensível e teoria complexa de muitos corpos, a equipa explorou a estrutura de quasipartículas luminosas em novos ímanes semicondutores. Estas descobertas são importantes não só para aprofundar a nossa compreensão dos materiais magnéticos, mas também para impulsionar futuras inovações tecnológicas neste domínio emergente.
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Publicação original
Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet, Y. Shao, F. Dirnberger, S. Qiu, S. Acharya, S. Terres, E. J. Telford, D. Pashov, B. S. Y. Kim, F. L. Ruta, D. G. Chica, A. H. Dismukes, M. E. Ziebel, Y. Wang, J. Choe, Y. J. Bae, A. J. Millis, M. I. Katsnelson, K. Mosina, Z. Sofer, R. Huber, X. Zhu, X. Roy, M. van Schilfgaarde, A. Chernikov, and D. N. Basov, Nat Mater. 24, 391–398 (2025).
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