Dobrar materiais 2D dá-lhes novas propriedades úteis para comunicações quânticas

(dr) carbyneventures.com

Dobrar materiais 2D dá-lhes novas propriedades úteis para comunicações quânticas. Os investigadores organizaram um material de uma nova maneira para criar um arranjo 3D de folhas 2D.

O grafeno é um material feito de átomos de carbono com uma camada de espessura, dispostos numa estrutura de favo de mel. Ele tem sido usado para tornar os materiais mais resistentes, criar componentes de ultra-alta frequência para comunicações, aumentar o desempenho da bateria e até mesmo para fazer testes covid-19. É o material bidimensional arquetípico — mas há muito mais materiais 2D do que o grafeno.

Desde que o grafeno foi isolado pela primeira vez em 2004, o estudo expandiu-se para a criação de outros materiais 2D sem carbono. Agora, existem muitas dezenas deles.

Um novo estudo concentrou-se numa nova forma de sulfureto de tungsténio 2D (WS2), que é 2D e 3D. WS2 é um semicondutor — o mesmo que o silício, que é encontrado em quase todos os dispositivos eletrónicos.

No entanto, ao contrário do silício, WS2 pode existir numa forma 2D estável. Os investigadores organizaram o material WS2 de uma nova maneira para criar um arranjo 3D de folhas 2D a que chamaram de nanomesh.

A nanomesh WS2 dobra a frequência e reduz pela metade o comprimento de onda da luz laser com grande eficiência. Isto significa que pode ser útil em componentes para comunicações quânticas usando luz, onde as tentativas de “espiar” mensagens podem sempre ser detetadas.

A luz é importante nas comunicações quânticas porque partículas de luz, chamadas fotões, podem ser usadas para transportar informações. Quando dois fotões passam por algo chamado emaranhamento quântico, qualquer coisa que aconteça com um deles é imediatamente observável no outro, não importa quão distantes estejam.

A comunicação quântica tem o potencial de oferecer comunicação verdadeiramente segura em todo o mundo. É possível projetar um sistema para que, quando um sinal for intercetado, o remetente saiba imediatamente.

Confinamento bidimensional

Em materiais 2D, os eletrões podem mover-se em duas dimensões, mas o seu movimento na terceira dimensão é restrito. Este confinamento dá aos materiais 2D propriedades interessantes em várias áreas. Para muitas das aplicações, os materiais 2D, que têm apenas um átomo de espessura, ficam planos numa superfície de suporte.

Infelizmente, a resistência destes materiais é também a sua maior fraqueza. Isto significa que quando eles são iluminados, a luz visível pode interagir com eles apenas numa espessura minúscula e o efeito resultante é fraco. Para superar isto, os investigadores estão a começar a procurar novas maneiras de embalar os materiais 2D em estruturas 3D complexas.

Nanomesh

Os autores do estudo publicado na revista Laser & Photonics Reviews criaram a rede 3D chamada nanomesh. As suas características únicas são o resultado do processo de síntese específico desenvolvido.

Medições feitas demonstraram que o material nanomesh de facto converte com eficiência uma cor de laser noutra, dentro de uma ampla paleta de cores. Comparada às camadas WS2 planas, a nanomesh é altamente eficiente e responde a uma ampla gama de comprimentos de onda de luz, ao mesmo tempo que é durável e usada em grandes áreas.

O estudo é a prova de que a montagem de materiais 2D num arranjo 3D não resulta apenas em materiais 2D mais espessos com os quais a luz interage mais fortemente — ela produz materiais com propriedades inteiramente novas.

A nanomesh é tecnologicamente simples de produzir em grande escala e oferece interação com a luz que pode ser ajustada. O material poderia ser desenvolvido ainda mais, por exemplo, incluindo pequenas nanopartículas metálicas ou depositando um segundo material. Estes híbridos ofereceriam maneiras adicionais de alterar a luz do laser que passa por eles.

O próximo objetivo é incorporar a nanomesh em dispositivos que transmitem e modificam a luz e que podem ser integrados à microeletrónica tradicional. Esta é uma rota para o desenvolvimento de comunicações óticas quânticas práticas.

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