E se fosse possível criar novos materiais simplesmente incidindo luz sobre eles? Para a maioria, isso soa como ficção científica ou alquimia, mas para os físicos que investigam o campo emergente da engenharia de Floquet, esse é o objetivo. Com um estímulo periódico, como a luz, os cientistas podem "vestir" a estrutura eletrônica de qualquer material, alterando suas propriedades fundamentais — como transformar um semicondutor simples em um supercondutor.

Embora a teoria da física de Floquet venha sendo investigada desde uma proposta ousada de Oka e Aoki em 2009, apenas um punhado de experimentos na última década conseguiu demonstrar os efeitos de Floquet. E embora esses experimentos mostrem a viabilidade da engenharia de Floquet, o campo tem sido limitado pela dependência da luz, que requer intensidades muito altas que quase vaporizam o material, obtendo-se, ainda assim, resultados apenas moderados.

Mas agora, uma equipe diversificada de pesquisadores de todo o mundo, coliderada pelo Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) e pela Universidade de Stanford, demonstrou uma nova e poderosa abordagem alternativa para a engenharia de Floquet, mostrando que os excítons podem produzir efeitos de Floquet com muito mais eficiência do que a luz. Seus resultados foram publicados na revista Nature Physics .

"Os éxcitons acoplam-se ao material com muito mais força do que os fótons devido à forte interação Coulombiana, particularmente em materiais 2D", afirma o Professor Keshav Dani, da Unidade de Espectroscopia de Femtosegundos do OIST, "e, portanto, podem alcançar fortes efeitos Floquet, evitando os desafios impostos pela luz. Com isso, temos um novo caminho potencial para os dispositivos e materiais quânticos exóticos do futuro que a engenharia de Floquet promete."

A engenharia de Floquet tem sido vista há muito tempo como um caminho para a criação de materiais quânticos sob demanda a partir de semicondutores comuns. O princípio que fundamenta a física de Floquet é relativamente simples: quando um sistema é submetido a uma força periódica — uma força externa repetitiva, como um pêndulo — o comportamento geral do sistema pode ser mais complexo do que as simples repetições dessa força. Pense em um balanço de parque infantil: empurrar a pessoa periodicamente eleva o balanço a alturas maiores, mesmo que o próprio balanço oscile para frente e para trás.

A engenharia de Floquet aplica esse princípio ao mundo quântico, onde as fronteiras entre tempo e espaço são tênues. Em cristais, como semicondutores, os elétrons já estão sujeitos a um potencial periódico — periódico não no tempo, mas no espaço; os átomos estão presos em uma estrutura cristalina compacta, confinando os elétrons a um nível de energia específico, ou banda, conforme ditado pela estrutura atômica periódica específica.

Quando a luz incide sobre o cristal em uma frequência definida, um segundo estímulo periódico é introduzido — agora no tempo, à medida que os fótons eletromagnéticos interagem ritmicamente com os elétrons — deslocando as bandas de energia permitidas dos elétrons. Ajustando a frequência e a intensidade do estímulo luminoso periódico, os elétrons podem ser levados a ocupar novas bandas híbridas, alterando, por sua vez, o comportamento eletrônico de todo o sistema e, consequentemente, as propriedades do material — assim como duas notas musicais se harmonizam para formar uma terceira nota.

Assim que a fonte de luz é desligada, a hibridização termina e os elétrons retornam às faixas de energia permitidas pela estrutura cristalina. Mas, durante a duração da música, os pesquisadores podem "disfarçar" os materiais para que exibam comportamentos completamente novos.

"Até agora, a engenharia de Floquet tem sido sinônimo de propulsão por luz", diz Xing Zhu, estudante de doutorado no OIST. "Mas, embora esses sistemas tenham sido fundamentais para comprovar a existência dos efeitos de Floquet, a luz acopla-se fracamente à matéria, o que significa que frequências muito altas, frequentemente na escala de femtosegundos, são necessárias para alcançar a hibridização. Níveis de energia tão elevados tendem a vaporizar o material, e os efeitos são muito efêmeros. Em contraste, a engenharia de Floquet excitônica requer intensidades muito menores."

Os éxcitons se formam em semicondutores quando elétrons individuais são excitados de seu estado de repouso (a banda de valência) para um nível de energia mais alto (a banda de condução), geralmente por fótons. O elétron com carga negativa deixa para trás uma lacuna com carga positiva na banda de valência, e o par elétron-lacuna forma uma quasipartícula bosônica que persiste até que o elétron retorne à banda de valência, emitindo luz.

" Os excítons carregam energia auto-oscilante, proveniente da excitação inicial, que impacta os elétrons circundantes no material em frequências ajustáveis. Como os excítons são criados a partir dos próprios elétrons do material, eles se acoplam muito mais fortemente com o material do que a luz. E, crucialmente, é necessária uma quantidade significativamente menor de luz para criar uma população de excítons densa o suficiente para servir como um mecanismo periódico eficaz para a hibridização — que é o que observamos agora", explica o coautor, Professor Gianluca Stefanucci, da Universidade de Roma Tor Vergata.

Essa descoberta é o culminar da história de pesquisa de excítons da unidade OIST e da configuração de TR-ARPES ( espectroscopia de fotoemissão com resolução temporal e angular ) de classe mundial que eles construíram em conjunto.

Para investigar os efeitos Floquet excitônicos, a equipe excitou um semicondutor ultrafino com um feixe óptico (ou seja, luz) e registrou os níveis de energia dos elétrons. Primeiro, eles usaram um forte feixe óptico para observar diretamente o efeito Floquet na estrutura de bandas eletrônicas, o que por si só já é uma conquista importante. Em seguida, reduziram o feixe óptico em mais de uma ordem de magnitude e mediram o sinal dos elétrons 200 femtosegundos depois, para capturar os efeitos Floquet excitônicos separadamente dos efeitos ópticos.

"Os experimentos falaram por si mesmos", diz o Dr. Vivek Pareek, graduado pelo OIST e atualmente bolsista de pós-doutorado da Presidência no Instituto de Tecnologia da Califórnia. "Levamos dezenas de horas para coletar dados e observar réplicas de Floquet com luz, mas apenas cerca de duas horas para obter o Floquet excitônico — e com um efeito muito mais forte."

Com isso, a equipe multidisciplinar provou conclusivamente que os efeitos Floquet não só são alcançáveis em geral, e não apenas com luz, como também podem ser gerados de forma confiável com outros bósons além dos fótons, que dominaram a área até agora.

A engenharia de Floquet excitônica é significativamente menos energética do que a óptica e, teoricamente, o mesmo efeito deveria ser alcançável com outros íons criados por meio de uma ampla gama de excitações — como fônons (usando vibração acústica), plasmons (usando elétrons livres), magnons (usando campos magnéticos) e outros. Dessa forma, os pesquisadores lançaram as bases para a engenharia de Floquet prática, que representa uma grande promessa para a criação confiável de novos materiais e dispositivos quânticos.

"Abrimos as portas para a física de Floquet aplicada", conclui o Dr. David Bacon, coautor principal do estudo e ex-pesquisador do OIST, agora no University College London, "para uma ampla variedade de bósons. Isso é muito empolgante, dado o seu grande potencial para criar e manipular diretamente materiais quânticos. Ainda não temos a receita para isso, mas agora temos a assinatura espectral necessária para os primeiros passos práticos."