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Os diamantes estão na classe de materiais conhecida como semicondutores de banda ultralarga. Esse grupo é visto como os componentes eletrônicos do futuro, pois podem lidar com tensões muito altas, operar em frequências maiores e são mais eficientes que as peças tradicionais de silício.
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No entanto, o problema é que a forma como as cargas elétricas e o calor se movem nos diamantes é ainda pouco conhecida. Em uma nova pesquisa, cientistas desenvolveram um microscópio baseado em laser que lhes permite estudar a estrutura cristalina numa escala nunca antes vista.
Estudar diamantes é um desafio
Cristais como diamantes têm a qualidade de serem transparentes à luz visível e infravermelha. Para analisar o comportamento das partículas em seu interior, é necessária uma forma de iluminação mais energética: a luz ultravioleta.
A equipe teve que construir um sistema de lasers de alta frequência profundos, que funcionassem sobre uma mesa e fornecessem a energia e precisão necessárias. O objetivo era gerar padrões de calor em nanoescala na superfície do material sem causar alterações.
“Fizemos um brainstorming de um novo experimento para expandir o que nosso laboratório poderia estudar” disse a autora principal Emma Nelson, da Universidade do Colorado Boulder, em um comunicado.
Para fazer isso, o grupo começou com um laser infravermelho com comprimento de onda luminosa de 800 nanômetros, próximo do limite da visão humana. A partir dai, o feixe de luz atravessou cristais não lineares, que mudaram sua energia para atingir comprimentos de onda cada vez mais curtos, até chegar ao ultravioleta profundo, cerca de 200 nanômetros.
Os pesquisadores passaram por um processo de tentativa e erro. Eles ajustaram o alinhamento da faixa luminosa através de três cristais sucessivos, para alcançar assim os resultados esperados.
“Demorou alguns anos para que o experimento funcionasse, mas assim que tivéssemos a configuração, poderíamos criar padrões em uma escala nunca antes alcançada em uma mesa”, comenta Nelson.
Um novo mundo no interior do cristal
Para solucionar o problema, a equipe usou dois feixes de luz afim de criar uma rede de difração na superfície do diamante. O comprimento de onda é tão pequeno que dá a precisão em nanoescala necessária para as observações e análises.
Os pesquisadores foram capazes de medir como o calor, os elétrons e as ondas mecânicas se comportam através de materiais como ouro e diamantes. Após os testes, verificaram os resultados com simulações feitas em computador.
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“Ver o experimento funcionar e se alinhar com os modelos que criamos foi um alívio e um marco emocionante”, acrescentou Nelson.
O grupo descobriu que, em nanoescala, o transporte de calor não é um fluxo contínuo e suave, mas pode se comportar como uma projetil ou ter efeitos hidrodinâmicos. Isso indica que ele pode se mover em linha reta sem se espalhar, ou pode dispersar como água fluindo por canais.
Para o futuro, a equipe planeja aprimorar o microscópio e estudar mais materiais. O foco é no grupo capaz de revolucionar a próxima geração de eletrônicos.
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