Investigadores de la Universidad Rice descubrieron que algunos semiconductores atómicamente delgados, conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), pueden cambiar físicamente su red atómica cuando se exponen a la luz. Esta respuesta recientemente observada proporciona una forma controlable de ajustar el comportamiento y las propiedades de estos materiales ultrafinos.
El fenómeno aparece en un subtipo de TMD llamado materiales de Janus, llamado así por el dios romano asociado con la transformación. Su sensibilidad a la luz podría respaldar tecnologías futuras que dependan de señales ópticas en lugar de corrientes eléctricas, incluidos chips de computadora más rápidos y más fríos, sensores de alta capacidad de respuesta y sistemas optoelectrónicos flexibles.
“En la óptica no lineal, se puede hacer que la luz produzca nuevos colores, pulsos rápidos o interruptores ópticos que encienden y apagan la señal”, dijo Kunian Zhang, alumno de doctorado de Rice y primer autor del estudio. “Los materiales bidimensionales, que tienen sólo unos pocos átomos de espesor, permiten construir estos dispositivos ópticos a una escala muy pequeña”.
¿Qué hace que el material de Janus sea diferente?
Los TMD están hechos de una capa apilada de un metal de transición como el molibdeno y dos capas de un elemento calcógeno como el azufre o el selenio. Su combinación de conductividad, fuerte absorción de luz y flexibilidad mecánica los convierte en los principales candidatos para dispositivos ópticos y electrónicos de próxima generación.
Dentro de este grupo, los materiales de Janus destacan porque sus capas atómicas superior e inferior están compuestas por diferentes elementos químicos, lo que les confiere una estructura asimétrica. Este desequilibrio crea una polaridad eléctrica incorporada y aumenta su sensibilidad a la luz y las fuerzas externas.
“Nuestro trabajo explora cómo la estructura de los materiales de Janus afecta su comportamiento óptico y cómo la luz misma puede crear una fuerza en los materiales”, dijo Zhang.
Detección de movimiento nuclear con luz láser
Para investigar este comportamiento, el equipo utilizó rayos láser de diferentes colores sobre un material Janus TMD de dos capas compuesto de seleniuro de azufre y molibdeno apilado sobre disulfuro de molibdeno. Probaron cómo modula la luz mediante la generación de segundo armónico (SHG), un proceso en el que el material emite luz al doble de la frecuencia del haz entrante. Cuando el láser entrante coincide con las resonancias naturales del material, el patrón normal de SHG se distorsiona, revelando que los átomos se están moviendo.
“Descubrimos que la luz brillante sobre el seleniuro de azufre y el disulfuro de molibdeno de Janus crea fuerzas diminutas y direccionales dentro del material, que se manifiestan como cambios en su patrón de SHG”, dijo Zhang. “Normalmente, la señal SHG forma una ‘flor’ de seis puntas que refleja la simetría del cristal. Pero cuando la luz incide sobre los átomos, esta simetría se rompe: los pétalos del patrón se encogen de manera desigual”.
Optostricción y acoplamiento de capas.
Los investigadores atribuyeron la distorsión SHG a la optoestricción, un proceso en el que el campo electromagnético de la luz ejerce una fuerza mecánica sobre los átomos. En el material Janus, el fuerte acoplamiento entre capas magnifica este efecto, permitiendo que incluso fuerzas extremadamente pequeñas produzcan una tensión mensurable.
“Los materiales Janus son ideales para esto porque su estructura diferente crea un acoplamiento mejorado entre las capas, lo que las hace más sensibles a pequeñas fuerzas de luz, fuerzas tan pequeñas que son difíciles de medir directamente, pero podemos detectarlas mediante cambios en el patrón de señal SHG”, dijo Zhang.
Potencial para la futura tecnología óptica.
Esta alta sensibilidad sugiere que los materiales de Janus podrían convertirse en componentes valiosos en una amplia gama de tecnologías ópticas. Los dispositivos que dirigen o controlan la luz mediante este proceso podrían conducir a chips fotónicos más rápidos y con mayor eficiencia energética, ya que los circuitos basados en luz producen menos calor que la electrónica convencional. Se pueden utilizar propiedades similares para crear sensores finamente sintonizados que detecten vibraciones o cambios de presión extremadamente pequeños, o para desarrollar fuentes de luz sintonizables para sistemas avanzados de visualización e imágenes.
“Este tipo de control activo podría ayudar a diseñar chips fotónicos de próxima generación, detectores ultrasensibles o fuentes de luz cuánticas: tecnologías que utilizan la luz para transportar y procesar información en lugar de depender de la electricidad”, dijo Shenzi Huang, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática y ciencia de materiales y nanoingeniería de Rice y autor del estudio. Huang también está afiliado al Instituto Smalley-Carl, el Instituto Rice de Materiales Avanzados y el Instituto Ken Kennedy.
Pequeños desequilibrios estructurales con grandes efectos
Al demostrar cómo la asimetría interna del Janus TMD crea nuevas formas de influir en el flujo de luz, la investigación muestra que pequeñas diferencias estructurales pueden desbloquear importantes oportunidades tecnológicas.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (2246564, 1943895), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-22-1-0408), la Fundación Welch (C-2144), el Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0020042, DE-ACHCIENT, la Oficina de Investigación de la Fuerza Aérea). fue (FA2386-24-1-4049) y el Ministerio de Educación de Taiwán. El contenido de este artículo es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente las opiniones oficiales de las agencias e instituciones financiadoras.
