Um pulso de luz define o ritmo no material. Átomos em uma camada cristalina com apenas alguns átomos de espessura começam a se mover – não aleatoriamente, mas em um ritmo coordenado, torcendo-se e destorcendo-se em sincronia como dançarinos seguindo uma batida.

Até agora, os pesquisadores não haviam conseguido observar diretamente como essas camadas respondem fisicamente a um pulso de luz. Em um estudo recente, uma equipe liderada por pesquisadores de Stanford e da Universidade Cornell mostrou que as camadas atômicas podem se torcer brevemente, ficando mais compactas, e depois retornar à sua forma original, como uma fita enrolada liberando sua energia.

Suas descobertas, publicadas na  revista Nature , abrem novas possibilidades para a compreensão e o controle do comportamento de materiais moiré – estruturas 2D empilhadas cujas propriedades incomuns podem ser ajustadas simplesmente torcendo ligeiramente uma camada sobre a outra. Os resultados fornecem informações sobre como a luz poderá um dia ser usada para manipular materiais em tempo real, com implicações para futuras tecnologias em supercondutividade, magnetismo e eletrônica quântica.

“Anteriormente, os pesquisadores acreditavam que, uma vez que esses materiais de moiré fossem empilhados em um ângulo fixo, toda a estrutura ficaria fixa”, disse a coautora correspondente  Fang Liu , professora assistente de química na  Escola de Humanidades e Ciências de Stanford , que criou os materiais de moiré para esta pesquisa. “O que mostramos é que definitivamente não é fixo – os átomos se movem. Na verdade, os átomos dentro de cada célula unitária de moiré realizam uma espécie de dança circular.”

Essa coreografia atômica, desencadeada por rajadas de energia precisamente cronometradas, acontece muito rápido para ser detectada pelo olho humano ou mesmo por ferramentas científicas tradicionais. Toda a sequência se desenrola em cerca de um trilionésimo de segundo.

Para testemunhar isso, os pesquisadores recorreram à difração de elétrons ultrarrápida, uma técnica capaz de filmar a matéria em escalas de tempo muito curtas. Usando um instrumento construído em Cornell e um detector de alta velocidade, a equipe capturou materiais atomicamente finos respondendo à luz com um movimento de torção dinâmico.

“Há muito tempo se sabe que, empilhando e torcendo essas camadas atomicamente finas, é possível alterar o comportamento de um material. É possível transformá-lo em um supercondutor ou fazer com que os elétrons se comportem de maneiras novas e estranhas”, disse Jared Maxson, professor de física da Universidade Cornell e coautor correspondente do artigo. “A novidade aqui é que intensificamos essa torção dinamicamente com a luz e observamos o processo acontecer em tempo real.”

Para capturar essa dança fugaz, os pesquisadores usaram o instrumento de difração de elétrons ultrarrápido. Construído e aprimorado no laboratório de Maxson, ele dispara rajadas intensas de elétrons em uma amostra logo após ela ter sido atingida por um pulso de laser. Esse método de bomba e sonda revela como os átomos se deslocam ao longo do tempo.

Embora Cornell tenha construído as ferramentas e realizado o experimento, os materiais especialmente projetados usados no estudo vieram do laboratório de Liu em Stanford.

Liu também considerou que a colaboração foi fundamental para o sucesso do projeto.

“O instrumento ultrarrápido de Jared Maxson é o único capaz de detectar o padrão de moiré, e sua equipe o modificou em tempo real para tornar o experimento possível. Foi uma verdadeira colaboração.”

Para trabalhos futuros, o laboratório de Liu já produziu um novo conjunto de amostras de moiré projetadas para explorar os limites do instrumento ultrarrápido de Cornell. As equipes estão planejando a próxima rodada de experimentos para observar como diferentes materiais e ângulos de torção respondem à luz, um trabalho que poderá aprofundar sua compreensão de como controlar ativamente o comportamento quântico em tempo real.