Um estudo recente publicado na Nature revela um fenómeno notável: átomos dentro de materiais ultrafinos dançam em resposta a pulsos de luz, torcendo-se e desenrolando-se como dançarinos sincronizados. Esta intrincada coreografia desenrola-se à velocidade da luz – na escala de um trilionésimo de segundo – tornando-a invisível a olho nu e demasiado rápida para ser capturada por instrumentos científicos convencionais.
Para desvendar este balé atômico, pesquisadores da Universidade Cornell e da Universidade Stanford recorreram à difração ultrarrápida de elétrons. Esta técnica de ponta utiliza rajadas incrivelmente breves de elétrons disparados contra uma amostra imediatamente após um pulso de laser a atingir. Pense nisso como uma câmera de altíssima velocidade congelada em momentos específicos durante a dança. Ao analisar como essas camadas atômicas dispersam os elétrons, os cientistas podem reconstruir seu movimento ao longo do tempo.
O tema desta performance atômica é um tipo especial de material conhecido como materiais moiré. Esses materiais são construídos empilhando folhas extremamente finas – com apenas alguns átomos de espessura – umas sobre as outras, com ligeiros desalinhamentos. Este deslocamento aparentemente menor cria propriedades únicas que podem ser ajustadas ajustando ainda mais o ângulo entre as camadas.
“Imagine empilhar dois pedaços de papel com uma ligeira torção”, explica Jared Maxson, professor de física em Cornell e co-autor correspondente do estudo. “A forma como eles se sobrepõem cria padrões interessantes – padrões moiré – e esses padrões influenciam o comportamento do material.”
Estas propriedades podem ser manipuladas para fazer com que os materiais atuem como supercondutores – permitindo que a eletricidade flua com resistência zero – ou criar comportamentos eletrónicos invulgares, abrindo portas para inovações na eletrónica quântica e outras tecnologias de ponta.
Anteriormente, os cientistas acreditavam que, uma vez empilhados num ângulo fixo, a estrutura destes materiais moiré permanecia estática. No entanto, esta investigação inovadora mostra que os átomos dentro destas estruturas em camadas estão longe de ser rígidos. Em vez disso, eles exibem um movimento dinâmico, torcendo-se brevemente e com mais força quando expostos à luz antes de voltarem, como uma mola comprimida liberando sua energia.
“Esta descoberta desafia suposições anteriores”, acrescenta Fang Liu, líder do projeto em Stanford e co-autor correspondente. “Vimos que os átomos dentro dessas células unitárias moiré funcionam quase como uma dança circular.”
O sucesso desta experiência dependeu do desenvolvimento de materiais especializados pela equipe de Liu em Stanford e do instrumento de difração de elétrons ultrarrápido construído em casa por Cornell, equipado com um detector altamente sensível chamado EMPAD.
A EMPAD, originalmente projetada para capturar imagens estáticas, foi reaproveitada neste estudo para atuar como uma câmera incrivelmente rápida, capaz de capturar esses movimentos atômicos fugazes. “A maioria dos detectores teria confundido o sinal”, diz Maxson. “O EMPAD permitiu-nos ver características incrivelmente subtis que poderiam facilmente ter sido perdidas.”
Este esforço colaborativo marca um marco significativo na nossa compreensão dos materiais moiré. Ele demonstra o poder da difração de elétrons ultrarrápida para visualizar fenômenos em nanoescala e abre caminhos interessantes para a manipulação do comportamento quântico em tempo real usando luz. Experimentos futuros explorarão como diferentes materiais e ângulos de torção respondem aos pulsos de luz, abrindo caminho para avanços potencialmente revolucionários em campos que vão da supercondutividade à computação quântica.
