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Edwin Cartlidge

Investigadores nos Estados Unidos, na República Checa e em Espanha demonstraram que a luz presa no interior de um cristal magnético pode melhorar fortemente as suas interações magneto-ópticas – graças à formação de quasipartículas conhecidas como exciton-polaritons. [Imagem: Rezlind Bushati]

Explorar a resposta dos materiais magnéticos à luz poderia levar a todo tipo de novas tecnologias, desde lasers magnéticos até novos dispositivos de memória. Mas os efeitos magneto-ópticos na maioria dos materiais que ocorrem naturalmente são pequenos e requerem lasers de alta potência ou detectores ópticos sensíveis para serem discernidos.

Agora, os cientistas mostraram que a resposta magnética de um semicondutor antiferromagnético com apenas alguns átomos de espessura pode ser ajustada em uma ampla faixa espectral (Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06275-2). Segundo os pesquisadores, isso se deve à formação do que é conhecido como exciton-polaritons, quasipartículas que são parte matéria e parte luz.

As quasipartículas são normalmente obtidas colocando um pedaço excepcionalmente fino de semicondutor no centro de uma cavidade óptica do tamanho de um micrômetro. Ondas de luz ressonantes liberam elétrons no material, criando pares elétron-buraco conhecidos como excitons. Se os pares mesclados emitem radiação com uma frequência muito semelhante à da luz na cavidade, os fótons e excitons passam a formar uma entidade distinta: um exciton-polariton.

No trabalho mais recente, Vinod Menon, do City College de Nova York, EUA, e colegas estudaram esse acoplamento luz-matéria em cristais que consistem em várias camadas de um semicondutor feito de cromo, sulfeto e bromo, com cada camada apenas algumas centenas de camadas. nanômetros de espessura. Eles foram capazes de capturar a luz dentro dos cristais com ou sem espelhos em cada extremidade das amostras - no último caso, explorando a constante dielétrica incomumente grande do material em comparação com o ambiente.

Em vez de uma única ressonância – como seria de esperar no caso de apenas um exciton – os investigadores observaram sinais ópticos em múltiplas frequências e, portanto, energias.

Menon e colegas demonstraram pela primeira vez as características puramente ópticas dos cristais, direcionando-lhes luz laser verde e medindo a fotoluminescência. Em vez de uma única ressonância – como seria de esperar no caso de apenas um exciton – os investigadores observaram sinais ópticos em múltiplas frequências e, portanto, energias. Combinando estes resultados experimentais com modelos teóricos, a equipa concluiu que as emissões devem ser o resultado da dispersão por exciton-polaritons.

Com esse resultado na bolsa, os pesquisadores passaram a investigar a influência dos campos magnéticos nessa dispersão. Como apontam no artigo, um antiferromagneto consiste em pequenas regiões de momentos magnéticos atômicos ou moleculares alinhados de forma oposta, sem magnetização líquida. Mas quando exposto a um campo magnético, o material torna-se um ferromagneto no qual todos os momentos magnéticos se alinham na mesma direção. O efeito não é preto e branco; campos intermediários fazem com que os momentos magnéticos das regiões vizinhas fiquem parcialmente alinhados.

Menon e colegas examinaram o efeito de um campo magnético externo nos diferentes ramos da dispersão do polariton. O ramo de energia mais alta corresponde a um exciton puro (que eles simularam em vez de medir), com ramos de energia progressivamente mais baixos tornando-se mais semelhantes a fótons. Os pesquisadores descobriram que o aumento da força do campo magnético reduziu a energia de todos os ramos, mas diminuiu mais a dos ramos semelhantes a excitons.

Enquanto os cristais com muito poucas camadas são transparentes a energias significativamente abaixo da ressonância do exciton, o material da equipa – que tem mais camadas – sofre grandes mudanças na refletância óptica quando sujeito a campos magnéticos, de acordo com os investigadores.

No entanto, o mesmo não aconteceu com a refletância. Tal como acontece com a sua energia, a refletância de um polariton pode ser alterada pelo campo externo. Mas, neste caso, os investigadores observaram o maior efeito com polaritons mais semelhantes a fotões. Para excitons puros, por outro lado, a modulação foi mínima. Por outras palavras, enquanto os cristais com muito poucas camadas são transparentes a energias significativamente abaixo da ressonância do exciton, o material da equipa – que tem mais camadas – sofre grandes mudanças na refletância óptica quando sujeito a campos magnéticos, de acordo com os investigadores.