Quando os defeitos nos materiais se transformam em transportadores de energia
Investigadores de Kiel descobrem um novo mecanismo de transporte de energia em materiais com espessura atómica
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Os defeitos atómicos são inevitáveis: nenhum material está totalmente isento de defeitos. O que durante muito tempo foi considerado sobretudo um ponto fraco pode, no entanto, ser também um ponto forte. Investigadores da Universidade Christian-Albrechts de Kiel (CAU) demonstraram agora que esses defeitos não só absorvem energia, como também a podem transmitir de forma direcionada. Uma equipa liderada por Nahid Talebi, professora de nanoóptica na CAU, publicou recentemente um estudo sobre o assunto na revista científica ACS Nano.
Os defeitos transformam-se numa rede
O funcionamento do transporte de energia fica evidente na interação entre dois materiais com apenas algumas camadas atómicas de espessura: uma perovskita, capaz de absorver energia, e nitreto de boro hexagonal. Esta última classe de materiais é composta por átomos de boro e azoto, que normalmente se encontram dispostos de forma regular. No entanto, alguns pontos desviam-se desta estrutura. Estes defeitos atómicos podem absorver energia da perovskita e transmiti-la a outros defeitos. A energia na perovskita encontra-se inicialmente num estado excitado, a que os físicos chamam «excitão». A equipa parte do princípio de que a energia passa destes estados para os defeitos no nitreto de boro.
A distância a que a energia consegue propagar-se através desta rede de defeitos é invulgar: a equipa conseguiu detetar o sinal ainda a uma distância de até 150 micrómetros do local original de excitação. Isso corresponde aproximadamente à largura de um cabelo humano. O comprimento de transporte de energia medido situou-se em cerca de 142 micrómetros.
Para explicar esta distância, as abordagens convencionais, como apenas o movimento dos excitões ou uma guia de onda ótica, não se revelaram suficientes após as experiências. Os investigadores atribuem o transporte de energia observado, sobretudo, às interações entre os defeitos e à absorção e emissão repetidas de luz no interior da rede de defeitos.
Fundamental para a descoberta foi um método especial de medição por catodoluminescência, desenvolvido pela equipa de nanoóptica de Kiel. Nesse processo, os investigadores excitaram o material com um feixe de eletrões e captaram a luz resultante com uma fibra ótica. O feixe de elétrons permaneceu sempre no mesmo local, enquanto a fibra era afastada passo a passo. Simultaneamente, observaram o que acontecia ao microscópio eletrónico e constataram que o sinal luminoso continuava a existir mesmo a grande distância do local de excitação.
Novas possibilidades para as tecnologias óticas e quânticas
«Muitos materiais quânticos têm, normalmente, de ser arrefecidos para que possamos observar as suas propriedades. O nosso efeito, porém, ocorre à temperatura ambiente. Isso torna-o particularmente interessante para uma investigação mais aprofundada», afirma Talebi, membro do centro de investigação KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science. Nesse centro, os cientistas investigam, entre outras coisas, materiais à escala nanométrica e interfaces para aplicações na tecnologia quântica. A equipa também vê potencial para novos componentes, nos quais a energia ou a informação são transportadas através de excitações com luz.
A seguir, os investigadores pretendem descobrir como podem controlar de forma seletiva a troca de energia no material estudado. Talebi espera que isto impulsione o desenvolvimento de materiais quânticos híbridos. O artigo apresenta, em primeiro lugar, os fundamentos físicos para tal e cita, por exemplo, transdutores quânticos, que transmitem informação quântica entre diferentes sistemas, e ligações optoeletrónicas para a transmissão rápida de dados como possíveis aplicações.
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