Os pesquisadores desenvolveram uma técnica óptica avançada para descobrir propriedades ocultas do material quântico Ta2NiSe5 (TNS) usando luz. Ao empregar espectroscopia no domínio do tempo terahertz, a equipe observou amplificação anômala da luz terahertz, indicando a presença de um condensado de exciton. Esta descoberta abre novas possibilidades para o uso de materiais quânticos em fontes de luz emaranhadas e outras aplicações na física quântica. Crédito: SciTechDaily.com
Os cientistas usaram uma técnica baseada em laser para revelar propriedades quânticas ocultas do material Ta2NiSe5, potencialmente avançando no desenvolvimento de fontes de luz quântica.
Certos materiais têm propriedades desejáveis que estão ocultas e, tal como usaríamos uma lanterna para ver no escuro, os cientistas podem usar a luz para descobrir essas propriedades.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego usaram uma técnica óptica avançada para aprender mais sobre um material quântico chamado Ta2NiSe5 (TNS). Seu trabalho foi publicado na revista Materiais da Natureza.
Os materiais podem ser perturbados através de diferentes estímulos externos, muitas vezes com mudanças de temperatura ou pressão; no entanto, como a luz é a coisa mais rápida do universo, os materiais responderão muito rapidamente aos estímulos ópticos, revelando propriedades que de outra forma permaneceriam ocultas.
Usando uma técnica aprimorada que deu acesso a uma faixa mais ampla de frequências, a equipe conseguiu descobrir algumas das propriedades ocultas do condensado de exciton TNS. Crédito: Sheikh Rubaiat Ul Haque/Universidade de Stanford
Técnicas ópticas avançadas em materiais quânticos
“Em essência, direcionamos um laser para um material e é como uma fotografia stop-action, onde podemos seguir gradativamente uma certa propriedade desse material”, disse o professor de física Richard Averitt, que liderou a pesquisa e é um dos autores do artigo. “Ao observar como as partículas constituintes se movem nesse sistema, podemos descobrir essas propriedades que são realmente difíceis de encontrar de outra forma.”
O experimento foi conduzido pelo autor principal, Sheikh Rubaiat Ul Haque, que se formou na UC San Diego em 2023 e agora é pós-doutorado na Universidade de Stanford. Ele, junto com Yuan Zhang, outro estudante de pós-graduação no laboratório de Averitt, aprimorou uma técnica chamada espectroscopia no domínio do tempo terahertz. Esta técnica permite aos cientistas medir as propriedades de um material numa gama de frequências, e as melhorias de Haque permitiram-lhes acesso a uma gama mais ampla de frequências.
Estados Quânticos e Amplificação de Luz
O trabalho foi baseado em uma teoria criada por outro autor do artigo, Eugene Demler, professor da ETH Zürich. Demler e seu aluno de pós-graduação Marios Michael desenvolveram a ideia de que quando certos materiais quânticos são excitados pela luz, eles podem se transformar em um meio que amplifica a frequência da luz em terahertz. Isso levou Haque e colegas a examinarem atentamente as propriedades ópticas do TNS.
Quando um elétron é excitado a um nível superior por uma fóton, deixa para trás um buraco. Se o elétron e o buraco estiverem ligados, um exciton é criado. Os excitons também podem formar um condensado – um estado que ocorre quando as partículas se juntam e se comportam como uma entidade única.
Usando a técnica de Haque, apoiada pela teoria de Demler e usando cálculos funcionais de densidade do grupo de Angel Rubio no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, a equipe foi capaz de observar a amplificação anômala da luz terahertz, que revelou algumas das propriedades ocultas do exciton TNS condensado.
Os condensados são um estado quântico bem definido e o uso desta técnica espectroscópica poderia permitir que algumas de suas propriedades quânticas fossem impressas na luz. Isto pode ter implicações no campo emergente de fontes de luz emaranhadas (onde múltiplas fontes de luz têm propriedades interligadas) utilizando materiais quânticos.
“Acho que é uma área muito aberta”, afirmou Haque. “A teoria de Demler pode ser aplicada a um conjunto de outros materiais com propriedades ópticas não lineares. Com esta técnica, podemos descobrir novos fenómenos induzidos pela luz que não foram explorados antes.”
Referência: “Amplificação paramétrica Terahertz como repórter da dinâmica do condensado de excitons” por Sheikh Rubaiat Ul Haque, Marios H. Michael, Junbo Zhu, Yuan Zhang, Lukas Windgätter, Simone Latini, Joshua P. Wakefield, Gu-Feng Zhang, Jingdi Zhang, 2005; Angel Rubio, Joseph G. Checkelsky, Eugene Demler e Richard D. Averitt, 3 de janeiro de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01755-2
Financiamento fornecido pelo DARPA Programa DRINQS (D18AC00014), Fundação Nacional Suíça para a Ciência (200021_212899), Gabinete de Investigação do Exército (W911NF-21-1-0184), Conselho Europeu de Investigação (ERC-2015-AdG694097), Cluster de Excelência ‘Imagem Avançada da Matéria’ (AIM), Grupos Consolidados (IT1249-19), Deutsche Forschungsgemeinschaft (170620586) e Flatiron Institute.