Pesquisadores da Universidade de Columbia, em colaboração com a UC Riverside, realizaram uma demonstração inédita de transição de fase induzida por luz em materiais quânticos bidimensionais, abrindo caminho para dispositivos optoeletrônicos de altíssima velocidade. Utilizando pulsos de laser ultracurtos, a equipe conseguiu converter estados metálicos em estados isolantes correlacionados em heteroestruturas moiré, um feito que até então se mostrava extremamente difícil de alcançar apenas com excitação luminosa.
Os materiais quânticos operam sob as leis da mecânica quântica que governam interações de muitos corpos, o que os torna candidatos promissores para diversas tecnologias avançadas. Esses materiais frequentemente passam por transições de fase que alteram a forma como os elétrons fluem através deles, e controlar essas transições com precisão é um dos principais desafios da física da matéria condensada. Segundo reportagem do Phys.org, o professor Xiaoyang Zhu, autor sênior do estudo publicado na Physical Review Letters, explicou que o laboratório vinha desenvolvendo técnicas de espectroscopia de bombeio-sonda para obter uma visão no domínio do tempo da matéria quântica moiré.
A fabricação dos dispositivos envolveu o empilhamento de camadas ultrafinas de dissulfeto de tungstênio (WS₂) e disseleneto de tungstênio (WSe₂), com um leve desalinhamento entre elas — a chamada estrutura moiré. Os pesquisadores também incluíram eletrodos de grafite para injeção de carga elétrica, inicialmente pensados apenas para controle eletrostático convencional. Foi justamente o eletrodo de grafite que revelou uma função surpreendente e inesperada.
Durante os experimentos, ao dopar cada dispositivo até um estado metálico e aplicar pulsos de laser de alta potência, a equipe observou assinaturas espectroscópicas características da transição inversa, ou seja, do estado metálico para o estado isolante correlacionado. O próprio Zhu descreveu o achado como uma descoberta fortuita, que emergiu quando elevaram a potência dos pulsos de bombeio.
As análises detalhadas indicaram que o mecanismo por trás dessa transição é a injeção ultrarrápida de buracos fotoexcitados provenientes do eletrodo de grafite para dentro da heteroestrutura moiré. Essa injeção de portadores de carga em escalas de tempo ultrarrápidas oferece um meio eficaz de controlar a densidade eletrônica nas fases quânticas moiré. A capacidade de alternar entre estados condutores e isolantes em velocidades extremamente altas é essencial para o desenvolvimento de memórias quânticas e processadores quânticos baseados em luz.
Os pesquisadores planejam explorar ainda mais essa descoberta para sintonizar outras fases quânticas moiré e investigar estados quânticos ocultos que possam emergir sob condições de excitação extrema. O trabalho também estabelece uma base metodológica para estudos futuros de estruturas de van der Waals com pulsos de laser ultracurtos. A demonstração experimental de uma transição metal-isolante fotoinduzida em materiais 2D representa um avanço significativo para a física de sistemas fortemente correlacionados. O controle preciso sobre o comportamento eletrônico em escalas temporais mínimas pode redefinir os limites da eletrônica quântica e da computação do futuro.