Físicos brasileiros publicam artigo sobre espectro de energia dos excitons na revista internacional “2DMaterials”

O trabalho intitulado Quantum-electrodynamical approach to the exciton spectrum in Transition-Metal Dichalcogenides, elaborado por uma colaboração científica internacional de físicos brasileiros, foi recentemente aceito para publicação na prestigiosa revista internacional 2DMaterials, periódico científico multidisciplinar que visa divulgar pesquisas de alta qualidade e impacto nas áreas de materiais bidimensionais, tais como o grafeno e outros.

Nesse trabalho, os autores explicam, usando um único modelo teórico (A Pseudo Eletrodinâmica Quântica), diferentes conjuntos de dados experimentais relacionados ao espectro de energia dos chamados excitons em três materiais bidimensionais diferentes, pertencentes à classe dos Dicalcogenetos de Metais de Transição. São estes: o WSe2, o WS2 e o MoS2. Excitons são estados ligados, formados por dois objetos, sendo um deles o elétron; e o outro, um buraco, ou seja, a lacuna deixada pela falta de um elétron, que se forma quando o material bidimensional interage com a luz de determinados comprimentos de onda.

Interação com os excitons - Pesquisas envolvendo a interação da luz com os excitons tornam possível identificar, experimentalmente, os valores das energias de ligação dos excitons (energia necessária para romper o par ligado). O conhecimento de tais energias desempenha um papel fundamental na chamada Valetrônica, a evolução da eletrônica, que promete revolucionar a área de dispositivos microscópicos. Precisamente, essas energias de ligação dos excitons, bem como o mecanismo de formação e o tempo de vida deles foram descritos pelo grupo de físicos brasileiros, com base em um modelo teórico desenvolvido pelo grupo. Os resultados estão em excelente acordo com os resultados experimentais.

Embora o estudo dos excitons em materiais semicondutores tridimensionais, baseado no silício, já tenha sido bastante elucidado, o mesmo interesse não ocorre com materiais bidimensionais. A principal razão é que, em tais materiais, os fótons se propagam fora do material, o que reduz o efeito de blindagem da carga elétrica do elétron e, consequentemente, faz com que efeitos da interação eletrônica se tornem mais proeminentes. Esse fato experimental é a base da construção do modelo teórico utilizado neste artigo, conhecido como Pseudo-eletrodinâmica Quântica, o qual foi obtido, via primeiros princípios, pelo professor Eduardo Cantera Marino,no artigo publicado na Nuclear PhysicsB408, 551 (1993). Na época, o professor Marino estava investigando a descrição da interação eletrônica entre elétrons materiais bidimensionais.

Pesquisa - Em 2014, reunidos na Utrecht University (Utrecht, Países Baixos), os professores Marino e Van Sérgio Alves (da universidade Federal do Pará) ambos em visita científica à professora Cristiane de Morais Smith, juntamente com o doutorando Leandro Oliveira do Nascimento (Universidade Federal do Rio de Janeiro) e a doutoranda Natália Menezes (Utrecht University) iniciaram um longo processo de pesquisa sobre os efeitos de se considerar forte interações eletrônicas através da Pseudo Eletrodinâmica Quântica, visando aplicar esses resultados em materiais bidimensionais, resultando no artigo em questão.

O método utilizado pelos autores para explicar os excitons neste e em outros materiais bidimensionais, prediz a geração de efeito Hall Quântico na ausência de campo magnético externo e, potencialmente, descreve a formação de biexcitons- pares ligados de excitons. Talvez, o fato mais relevante que surge como resultado desta colaboração é que ela promove uma mais profunda correlação entre os fenômenos da física de altas energias (típicos de teoria de campos e partículas) com os fenômenos da física de baixas energias (típicos da física da matéria condensada). 

A pesquisa teve financiamento do Programa Ciência sem Fronteiras, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (Faperj) e The Netherlands Organisation for Scientific (NWO). A versão preliminar do trabalho está disponível aqui.

Texto: Van Sergio da Silva Alves, com edição de Rosyane Rodrigues.
Foto: acervo do pesquisador