Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara realizaram uma descoberta significativa no campo dos materiais quânticos. A equipe observou modos coletivos de spin-valley neutros em carga no semicondutor bidimensional dissulfeto de tungstênio torcido (WSe₂). A pesquisa, publicada na revista Nature Physics, pode abrir novas possibilidades para o estudo e engenharia de fases quânticas exóticas em materiais bidimensionais.
Richen Xiong, autor principal do estudo, destacou a importância de compreender não apenas o estado fundamental de um material quântico, mas também suas excitações. Essas perturbações coletivas governam propriedades fundamentais como estabilidade das fases, resposta a campos externos e capacidade de suportar fenômenos exóticos como a supercondutividade.
O desafio central enfrentado pela equipe reside no fato de que muitas dessas excitações não carregam carga elétrica, tornando-as invisíveis para medições elétricas convencionais. Para superar essa limitação, os pesquisadores desenvolveram técnicas ópticas inspiradas na física atômica e molecular, capazes de visualizar esses modos ocultos no espaço e no tempo.
A pesquisa focou especificamente no estado intervalley-coerente (IVC), onde elétrons em diferentes vales se ligam por efeitos quânticos. Este estado pode estar por trás de propriedades observadas em materiais bidimensionais empilhados com desalinhamento rotacional, como estruturas de grafeno torcido.
A equipe utilizou uma técnica de bomba-sonda ultrarrápida para coletar dados de imagem resolvidos no espaço e no tempo, revelando dois novos modos propagantes. Esses modos coletivos diferem das respostas de partículas únicas, envolvendo vários elétrons agindo em conjunto e viajando a velocidades distintas das respostas convencionais de spin-valley.
Um dos modos recém-observados pode corresponder a um modo previsto há muito tempo pela teoria, mas que permanecia difícil de investigar experimentalmente. A descoberta de modos de propagação rápida e lenta, que carregam correntes de spin-valley opostas, sugere a presença de modos de fase (Goldstone) e amplitude (Higgs) de um superfluido de spin-valley.
O estado IVC observado se sobrepõe a regiões onde estudos recentes relataram o surgimento de supercondutividade. Isso indica que as excitações neutras coletivas podem contribuir para esse fenômeno no material. A abordagem resolvida no espaço e no tempo permite que modos coexistentes sejam separados por suas dinâmicas distintas, abrindo novas rotas para o estudo de diversas fases quânticas.
Xiong e sua equipe planejam continuar as pesquisas buscando realizar supercorrentes de spin-valley sem dissipação, um efeito suportado pelo modo IVC Goldstone. Os pesquisadores também pretendem aplicar essa técnica de imagem a outros sistemas, como o MoTe₂ torcido, que pode hospedar excitações fracionadas e modos magnetoroton em seu estado de isolante de Chern fracionário.
Segundo o portal Phys.org, esta pesquisa representa um avanço significativo na compreensão e manipulação de fases quânticas em materiais bidimensionais. O trabalho possui potencial para impactar tecnologias futuras, incluindo computadores quânticos e dispositivos eletrônicos energeticamente eficientes.
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