“É muito parecido com um cálculo de níveis de energia de um átomo de hidrogênio, mas é preciso levar em conta propriedades específicas do material do qual o sistema é feito, o fato de termos duas camadas giradas uma em relação à outra e como as cargas próximas influenciam esse par, o que chamamos de blindagem”, detalha.

“Por ser uma área relativamente nova, ainda não há muitas aplicações tecnológicas consolidadas, apesar do grande potencial de inovação, especialmente ao combinar materiais com propriedades diferentes em várias camadas”, explica Arouca.

A colaboração envolve parcerias estabelecidas ao longos dos anos entre os brasileiros Arouca e Smith e universidades dos Países Baixos em um projeto que reúne teoria e experimento: “Isso mostra, de forma clara, a inserção da ciência brasileira em um contexto internacional e que podemos atuar com força, assumindo um papel de liderança”, diz Arouca.

Para ele, essa integração entre diferentes especialidades é também a principal motivação para participar da pesquisa: “Unir esforços teóricos e experimentais para compreender de forma mais abrangente um fenômeno físico é o tipo de ciência de que mais gosto – um esforço colaborativo em que diferentes pessoas se unem para produzir algo que não conseguiriam fazer separadamente”.

Na física, o mesmo princípio aparece quando duas estruturas cristalinas muito finas são colocadas uma sobre a outra com uma pequena diferença de orientação, criando um novo padrão capaz de modificar as propriedades do material.

“A ciência é uma construção coletiva, e incluir pessoas de diferentes países e com especialidades complementares é essencial para realizar pesquisa de alto nível”, afirma Arouca.

O estudo de bicamadas torcidas é uma área recente e ativa da física da matéria condensada. Em 2018, pesquisadores mostraram que duas camadas de grafeno poderiam apresentar supercondutividade quando colocadas em um ângulo específico.

“ Real-space imaging of moiré-confined excitons in twisted bilayer MoS₂”: https://www.nature.com/articles/s41567-026-03425-x

A imagem, porém, não contava toda a história. Era preciso determinar o que aquelas diferentes localizações significavam. É nessa etapa que entra a contribuição de Arouca e dos demais pesquisadores do grupo teórico.

O resultado foi publicado, em agosto, na revista Nature Physics com o título Real-space imaging of moiré-confined excitons in twisted bilayer MoS₂ (em português, Imagens em espaço real de éxcitons confinados por moiré em bicamadas torcidas de MoS₂).

“Éxcitons são estados ligados de elétrons com buracos, ausências de elétrons que, dentro do material, se comportam como se fossem partículas por si só. Eles se parecem com átomos de hidrogênio, só que bem maiores”, explica o pesquisador do CBPF Rodrigo Arouca.

Os éxcitons, por sua vez, são importantes para compreender a interação entre luz e matéria e são estudados em aplicações que vão de dispositivos optoeletrônicos, componentes que unem luz e eletricidade para gerar, detectar ou controlar radiação luminosa aplicada, por exemplo, em painéis de energia solar, a fontes de fótons únicos, de interesse para tecnologias quânticas.

Pela primeira vez, pesquisadores conseguiram observar diretamente, em escala nanométrica e à temperatura ambiente, onde diferentes tipos de éxcitons se concentram em uma estrutura conhecida como padrão moiré. O resultado ajuda a explicar como uma pequena rotação entre duas camadas de um material pode alterar a maneira como ele interage com a luz.

Uma parceria entre três continentes

No CBPF, Arouca também participa de projetos voltados ao controle das propriedades de éxcitons como emissores de fótons únicos, em pesquisas coordenadas pela pesquisadora Tatiana Rappoport.

Para entendermos o padrão moiré – nome francês associado a um tipo de tecido com aparência de “água ondulante” –, devemos imaginar duas telas finas, como as de uma cortina de mosquiteiro, sobrepostas. Se elas estiverem perfeitamente alinhadas, os pequenos furos de uma coincidem com os da outra. Mas, se girarmos ligeiramente uma das telas, os furos deixam de coincidir. Essa alternância cria regiões claras e escuras que formam um novo desenho, muito maior do que o espaçamento entre os furos originais.

Para fazer essa identificação, foi desenvolvido um modelo que resolve a Equação de Schrödinger para duas partículas – o elétron e o buraco – determinando as energias e a distribuição espacial do sistema.

O papel da teoria

Cientistas já suspeitavam que esse padrão pudesse confinar esses estados em posições específicas, como uma paisagem microscópica de vales e colinas. O problema era conseguir observar esse comportamento diretamente. As medições anteriores analisavam muitas repetições do padrão simultaneamente, sem conseguir distinguir o que acontecia em cada região, e os métodos mais precisos dependiam de temperaturas extremamente baixas.

Ciência sem fronteiras

Dentro da equipe teórica, os cálculos foram realizados por Lumen Eek, aluno de doutorado em Utrecht, orientado por Smith: “Eu e Cristiane o guiamos na realização das contas e discutimos como as simulações ajudavam a explicar o experimento. Ajudei também bastante na interpretação dos dados experimentais e indiquei boa parte da literatura usada no desenvolvimento do modelo”, relata Arouca.

Por que isso importa?

Quando a luz atinge o material, pode formar éxcitons. Esses estados podem se deslocar pelo material e interagir com a estrutura criada pelo padrão moiré.

No entanto, os éxcitons não são todos iguais. “Como há diferentes tipos de elétrons no material, também existem diferentes espécies de éxcitons”, explica.

A pesquisa reuniu instituições dos Países Baixos, do Brasil e do Japão. A Universidade de Twente foi responsável por montar os experimentos e fazer as medidas; a Universidade de Utrecht e o CBPF desenvolveram o modelo teórico; pesquisadores do NIMS produziram os cristais de nitreto de boro usados como suporte da amostra. Arouca já conhecia o grupo de Cristiane Morais Smith, da Universidade de Utrecht, sua orientadora no doutorado sanduíche: “Ela sabia do meu conhecimento e interesse em éxcitons e entrou em contato comigo para ajudar”, conta.

“As medidas conseguiam mostrar que os éxcitons se localizavam em partes diferentes da amostra para energias diferentes, mas não conseguiam, sozinhas, distinguir os tipos diferentes de éxcitons”, explica Arouca. “Nosso trabalho teórico entrou aí: previmos a energia e a localização desses estados para mostrar que essas diferentes localizações estavam realmente associadas a tipos distintos de éxcitons.”

Foi justamente esse efeito que pesquisadores das universidades de Twente e de Utrecht (Países Baixos), do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas – CBPF (Brasil) e do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais – NIMS (Japão) exploraram em duas camadas ultrafinas de dissulfeto de molibdênio (MoS₂). Ao girar a camada superior em apenas dois graus em relação à inferior, eles produziram um padrão que se repete a cada cerca de nove nanômetros – uma escala dezenas de milhares de vezes menor que a largura de um fio de cabelo.

Artigo:

O trabalho conjunto durou cerca de sete meses, entre reuniões para desenvolver a modelagem teórica, interpretação dos dados, ajustes das simulações e elaboração do artigo.

A equipe da Universidade de Twente superou essa limitação usando uma técnica que combina microscopia de força atômica com luz de comprimento de onda ajustável. Dessa forma, foi possível mapear, ponto a ponto e à temperatura ambiente, onde a energia da luz era absorvida. O mapeamento revelou que diferentes espécies de éxcitons se localizam em regiões distintas do padrão moiré, ficando confinadas em áreas de apenas alguns nanômetros.