Físicos descobrem exóticos elétrons espiralantes

Redação do Site Inovação Tecnológica -  12/03/2019

Os dois tipos de "excitons quirais de superfície" estão nos lados direito e esquerdo da imagem. Eles são gerados por luz polarizada à direita e à esquerda (fótons em azul). Os excitons consistem em um elétron (azul claro) orbitando uma lacuna (preto) na mesma orientação da luz. O elétron e a lacuna são aniquilados em menos de um trilionésimo de segundo, emitindo luz (fótons em verde) que pode ser aproveitada para iluminação, células solares, lasers e telas.[Imagem: Hsiang-Hsi Kung/Rutgers]

Exciton quiral de superfície

Físicos descobriram uma forma exótica de elétron que pode levar a avanços em iluminação, células solares, lasers e telas eletrônicas.

Girando como planetas, esses elétrons consistem de partículas e "antipartículas" orbitando em torno umas das outras na superfície de materiais sólidos - não se trata de antimatéria, mas de partículas com cargas opostas.

Essas partículas exóticas - ou quasipartículas - foram batizadas de "excitons quirais de superfície".

Excitons se formam quando uma luz intensa atinge um sólido, chutando elétrons carregados negativamente de suas posições e deixando para trás lacunas positivamente carregadas - os elétrons ejetados formam plásmons de superfície, outra quasipartícula de grande interesse tecnológico.

Quiral refere-se a entidades, como suas mãos direita e esquerda, que correspondem, mas são assimétricas, não podendo uma ser sobreposta à sua imagem espelhada. A quiralidade da nova quasipartícula depende da polarização da luz que a produz.

Os elétrons e lacunas gerados nesse processo se assemelham a piões girando rapidamente. Os elétrons (cargas negativas) eventualmente "espiralam" em direção às lacunas (cargas positivas), aniquilando um ao outro em menos de um trilionésimo de segundo, o que resulta na emissão de um tipo de luz chamada fotoluminescência.

A fotoluminescência está envolvida em inúmeras aplicações tecnológicas, como células solares, lasers, LEDs, telas etc. Assim, a produção controlada de luz pela produção de excitons quirais de superfície poderá eventualmente ser explorada em todos esses dispositivos.

Seleneto de bismuto

Hsiang-Hsi Kung e seus colegas da Universidade Rutgers, nos EUA, descobriram os excitons quirais na superfície de um cristal chamado seleneto de bismuto, que pode ser produzido em larga escala e usado em revestimentos e outros materiais em eletrônica - tudo a temperatura ambiente.

Esse cristal já havia sido usado para sintetizar uma substância bizarra que unifica a spintrônica e a computação quântica. E, em sua superfície, também foi descoberto, em 2013, um então inédito acoplamento entre fóton e elétron, unindo matéria e energia.

"O seleneto de bismuto é um composto fascinante que pertence a uma família de materiais quânticos chamados 'isolantes topológicos'. Eles têm vários canais na superfície que são altamente eficientes na condução de eletricidade," contou o professor Girsh Blumberg.

A dinâmica dos excitons quirais ainda não está clara e a equipe pretende a seguir usar imagens ultrarrápidas para estudá-la a fundo. Eles também avaliam que os excitons quirais de superfície poderão ser encontrados em outros materiais.

Bibliografia:

Observation of chiral surface excitons in a topological insulator Bi2Se3
Hsiang-Hsi Kung, Adamya P. Goyal, Dmitrii L. Maslov, Xueyun Wang, Alexander Lee, Alexander F. Kemper, Sang-Wook Cheong, Girsh Blumberg
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1813514116