Uma pesquisa realizada pelo professor Bruno Ricardo de Carvalho, do Departamento de Física Teórica e Experimental (DFTE) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), em parceria com pesquisadores de diversas universidades nacionais e internacionais, resultou em uma descoberta inovadora em materiais 2D. O estudo, publicado pela revista Small, revelou um efeito magnético gigante em monocamadas de disseleneto de tungstênio (WSe₂), um material 2D, dopadas com vanádio, algo que pode impactar fortemente o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos.
O trabalho identificou um fator-g surpreendentemente alto (variando de -26,7 a -69,0) para um exciton ligado a defeitos no material, um fenômeno que sugere novas possibilidades para a spintrônica (tecnologia que manipula o spin dos elétrons) e a valetrônica (tecnologia que explora as diferentes propriedades dos vales eletrônicos). Este efeito, que só se manifesta em temperaturas extremamente baixas (4 K), desaparece à temperatura ambiente, indicando que está diretamente relacionado à ordem magnética dos dopantes de vanádio.
Essa descoberta também revela uma nova característica: a quebra de simetria nos pontos K e K’ do WSe₂ dopado, o que causa uma divisão dos níveis de energia nas bandas de valência. Isso pode ser a chave para a criação de dispositivos mais rápidos e eficientes em áreas como armazenamento de dados e computação quântica. Além disso, a pesquisa indicou uma assimetria no efeito Zeeman próximo ao campo magnético nulo, apontando para uma transição de fase magnética no material.
Impacto
Para o professor Bruno Carvalho, os resultados são particularmente significativos para o campo dos materiais bidimensionais (2D) e da espectroscopia óptica aplicada em spintrônica e valetrônica. “Essa pesquisa abre portas para novas formas de controlar propriedades magnéticas e eletrônicas por engenharia de defeitos. Isso amplia nosso entendimento sobre os fenômenos magneto-ópticos em materiais 2D e abre novas possibilidades para o desenvolvimento de novos dispositivos em spintrônica, sensores magnéticos e computação quântica”, afirma.
A pesquisa contou com colaboração de Frederico Sousa, Geovani Resende, Marcos Pimenta, Helio Chacham e Leandro Malard, da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), Matheus Matos, da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Alessandra Ames e Marcos Teodoro, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Mingzu Liu, Da Zou, Zhuohang Yu e Mauricio Terrones, da Pennsylvania State University e Lucas Lafeta, da University of Munich.
Métodos utilizados
Para desvendar esses fenômenos, os pesquisadores usaram técnicas como a espectroscopia de magneto-fotoluminescência (Magneto-PL), que mede a luz emitida pelo material quando excitado por um laser e a intensidade dessa luz sob diferentes campos magnéticos (-9 a +9 T) em temperaturas criogênicas.
A fotoluminescência (PL) é um método que permite observar como os excitons (pares de elétron-buraco ligados por uma interação coulombiana) se comportam no material, fornecendo informações detalhadas sobre suas propriedades eletrônicas e ópticas. Também foram feitas medições à temperatura ambiente e cálculos ab initio (um método de cálculo de estrutura eletrônica dentro da mecânica quântica comumente usados para gerar informações necessárias ao modelamento de materiais complexos).
Além disso, foram utilizadas espectroscopia Raman ressonante e espectroscopia não-linear para caracterizar as transições ópticas e identificação das propriedades eletrônicas e vibracionais; cálculos ab initio (DFT) para modelar a estrutura eletrônica e magnética da WSe₂ dopada com vanádio e análise fenomenológica, para correlacionar os resultados experimentais com os cálculos teóricos para compreender a relação entre o fator-g observado e a ordem magnética.
