Pesquisadores projetam dispositivos de grafeno eletricamente ajustáveis ​​para estudar física rara.

O avanço pode levar ao desenvolvimento de tecnologia sem fio 'além do 5G' para redes de comunicação de alta velocidade.

Uma equipe internacional, co-liderada por pesquisadores do National Graphene Institute (NGI) da Universidade de Manchester no Reino Unido e da Penn State College of Engineering nos EUA, desenvolveu uma plataforma ajustável baseada em grafeno que permite um controle preciso sobre a interação entre luz e matéria no espectro terahertz (THz) para revelar fenômenos raros conhecidos como pontos excepcionais. A equipe publicou seus resultados hoje (7 de abril de 2022) na revista Science .

O trabalho pode avançar tecnologias optoeletrônicas para melhor gerar, controlar e detectar a luz e potencialmente as comunicações, de acordo com os pesquisadores. Eles demonstraram uma maneira de controlar as ondas THz, que existem em frequências entre as de micro-ondas e as ondas infravermelhas. A façanha pode contribuir para o desenvolvimento da tecnologia sem fio 'além do 5G' para redes de comunicação de alta velocidade.

Interações fracas e fortes

Luz e matéria podem se acoplar, interagindo em diferentes níveis: fracamente, onde podem estar correlacionadas, mas não alteram os constituintes uma da outra; ou fortemente, onde suas interações podem mudar fundamentalmente o sistema. A capacidade de controlar como o acoplamento muda de fraco para forte e vice-versa tem sido um grande desafio para o avanço de dispositivos optoeletrônicos - um desafio que os pesquisadores já resolveram.

“Nós demonstramos uma nova classe de dispositivos optoeletrônicos usando conceitos de topologia – um ramo da matemática que estuda propriedades de objetos geométricos”, disse o co-autor correspondente Coskun Kocabas, professor de materiais de dispositivos 2D na Universidade de Manchester. “Usando singularidades pontuais excepcionais, mostramos que conceitos topológicos podem ser usados ​​para projetar dispositivos optoeletrônicos que permitem novas maneiras de manipular a luz terahertz.”

A Kocabas também é afiliada ao Henry Royce Institute for Advanced Materials, com sede em Manchester.

Pontos excepcionais são singularidades espectrais - pontos em que quaisquer dois valores espectrais em um sistema aberto se unem. Eles são, sem surpresa, excepcionalmente sensíveis e respondem até mesmo às menores mudanças no sistema, revelando características curiosas, mas desejáveis, de acordo com o co-autor correspondente Sahin K. Özdemir, professor associado de ciências de engenharia e mecânica da Penn State.

“Em um ponto excepcional, o cenário de energia do sistema é consideravelmente modificado, resultando em dimensionalidade reduzida e topologia distorcida”, disse Özdemir, que também é afiliado ao Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State. “Isso, por sua vez, aumenta a resposta do sistema a perturbações, modifica a densidade local de estados levando ao aumento das taxas de emissão espontânea e leva a uma infinidade de fenômenos. O controle de pontos excepcionais e os processos físicos que ocorrem neles podem levar a aplicativos para melhores sensores, imagens, lasers e muito mais.”

Composição da plataforma

A plataforma que os pesquisadores desenvolveram consiste em um ressonador THz sintonizável baseado em grafeno, com um eletrodo de folha de ouro formando um espelho refletivo inferior. Acima dela, uma camada de grafeno é finalizada com eletrodos, formando um espelho superior ajustável. Uma camada de eletrólito líquido iônico não volátil fica entre os espelhos, permitindo o controle da refletividade do espelho superior alterando a tensão aplicada. No meio do aparelho, entre os espelhos, estão moléculas de alfa lactose, um açúcar comumente encontrado no leite.

O sistema é controlado por dois ajustadores. Levanta-se o espelho inferior para alterar o comprimento da cavidade – ajustando a frequência de ressonância para acoplar a luz com os modos vibracionais coletivos das moléculas de açúcar orgânico, que servem como um número fixo de osciladores para o sistema. O outro ajustador altera a tensão aplicada ao espelho de grafeno superior – alterando as propriedades refletivas do grafeno para fazer a transição dos desequilíbrios de perda de energia para ajustar a força do acoplamento. O delicado e fino ajuste muda a luz terahertz fracamente acoplada e as moléculas orgânicas para se tornarem fortemente acopladas e vice-versa.

“Pontos excepcionais coincidem com o ponto de cruzamento entre os regimes de acoplamento fraco e forte da luz terahertz com vibrações moleculares coletivas”, disse Özdemir.

Ele observou que esses pontos de singularidade são tipicamente estudados e observados no acoplamento de modos ou sistemas análogos, como dois modos ópticos, modos eletrônicos ou modos acústicos.

“Este trabalho é um dos raros casos em que se demonstra que pontos excepcionais emergem no acoplamento de dois modos com origens físicas diferentes”, disse Kocabas. “Devido à topologia dos pontos excepcionais, observamos uma modulação significativa na magnitude e fase da luz terahertz, que pode encontrar aplicações em comunicações THz de próxima geração.”

Modulação de fase sem precedentes no espectro THz

À medida que os pesquisadores aplicam a tensão e ajustam a ressonância, eles conduzem o sistema a um ponto excepcional e além. Antes, no e além do ponto excepcional, as propriedades geométricas — a topologia — do sistema mudam.

Uma dessas mudanças é a modulação de fase, que descreve como uma onda muda à medida que se propaga e interage no campo THz. Controlar a fase e a amplitude das ondas THz é um desafio tecnológico, disseram os pesquisadores, mas sua plataforma demonstra níveis sem precedentes de modulação de fase. Os pesquisadores moveram o sistema através de pontos excepcionais, bem como ao longo de voltas em torno de pontos excepcionais em diferentes direções, e mediram como ele respondia às mudanças. Dependendo da topologia do sistema no ponto de medição, a modulação de fase pode variar de zero a quatro magnitudes maiores.

“Podemos direcionar eletricamente o dispositivo através de um ponto excepcional, que permite o controle elétrico na topologia de reflexão”, disse o primeiro autor M. Said Ergoktas. “Somente controlando a topologia do sistema eletronicamente poderíamos alcançar essas enormes modulações.”

Segundo os pesquisadores, o controle topológico das interações luz-matéria em torno de um ponto excepcional possibilitado pela plataforma baseada em grafeno tem aplicações potenciais que vão desde dispositivos topológicos optoeletrônicos e quânticos até o controle topológico de processos físicos e químicos.

Referência: “Engenharia topológica de luz terahertz usando singularidades pontuais excepcionais ajustáveis ​​eletricamente” 7 de abril de 2022, Science .
DOI: 10.1126/abn6528

Os colaboradores incluem Kaiyuan Wang, Gokhan Bakan, Thomas B. Smith, Alessandro Principi e Kostya S. Novoselov, da Universidade de Manchester; Sina Soleymani, estudante de pós-graduação do Departamento de Engenharia e Mecânica da Penn State; Sinan Balci, Instituto de Tecnologia de Izmir, Turquia; Nurbek Kakenov, que conduziu o trabalho para este artigo enquanto estava na Universidade de Bilkent, na Turquia. Os colaboradores incluem Kaiyuan Wang, Gokhan Bakan, Thomas B. Smith, Alessandro Principi e Kostya S. Novoselov, da Universidade de Manchester; Sina Soleymani, estudante de pós-graduação do Departamento de Engenharia e Mecânica da Penn State; Sinan Balci, Instituto de Tecnologia de Izmir, Turquia; Nurbek Kakenov, que conduziu o trabalho para este artigo enquanto estava na Universidade de Bilkent, na Turquia.

Financiamento: European Research Council, Consolidator Grant (SmartGraphene), Air Force of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative Award on Programmable Systems with Non-Hermitian Quantum Dynamics, Air Force Office of Scientific Research Award