Controlar a propagação da luz no interior de materiais na escala nanométrica pode permitir a construção de instrumentos ópticos tão pequenos quanto os atuais microchips eletrônicos. Utilizando a luz no lugar de elétrons, esses microcircuitos fotônicos funcionariam como os componentes de futuros sistemas de comunicação e computação menores, mais rápidos e energeticamente mais eficientes que os eletrônicos. Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por brasileiros demonstrou como controlar a propagação da luz na nanoescala por meio de um dispositivo composto de nitreto de boro e grafeno.
Os resultados da pesquisa realizada no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas, São Paulo, foram publicados em artigo em janeiro na revista Nano Letters. Como o primeiro autor do artigo, Francisco Maia, pesquisador do LNLS, explica no vídeo abaixo, o dispositivo usado no experimento consistia de uma fita de grafeno, um material com um apenas uma camada de átomos de carbono de espessura, sobre uma camada de nitreto de boro com apenas alguns nanômetros de espessura.
Os pesquisadores incidiram sobre esse nanomaterial composto um feixe de luz infravermelha gerada pela fonte de luz síncrotron do LNLS. A luz no grafeno interage com os elétrons do material e se propaga através dele na forma de partículas compostas chamadas de plasmons poláritons. Já no nitreto de boro, a luz de propaga na forma de outro tipo de partícula composta, envolvendo vibrações mecânicas dos átomos, os chamados fônons poláritons. Assim, no nanomaterial composto, os pesquisadores observaram a luz se propagar na forma de uma partícula híbrida, combinando um plasmon poláriton com um fônon poláriton. Maia e seus colegas conseguiram controlar tanto a amplitude, quanto a direção de propagação desses poláritons híbridos no nanomaterial.
Segundo Raul Freitas, pesquisador do LNLS especialista em nanoespectroscopia de infravermelho, a equipe observou a geração e o controle dos poláritons híbridos por meio de um microscópio de força atômica, utilizando uma técnica conhecida como scattering scanning near field optical microscopy (microscopia óptica de campo próximo de varredura por espalhamento). “Por meio dessa técnica é possível acessar interfaces e detalhes desses dispositivos impossíveis de serem acessadas com técnicas convencionais de microscopia, principalmente na faixa de infravermelho médio”, afirma Freitas.
Maia e Freitas colaboraram com pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), do Instituto Nacional de Ciências dos Materiais, em Namiki, no Japão, além da Universidade do Colorado e da Universidade A&M do Texas, nos Estados Unidos. O trabalho teve apoio financeiro das agências Fapemig, CAPES e CNPq.
Artigo Científico
Anisotropic Flow Control and Gate Modulation of Hybrid Phonon- Polaritons
Francisco C. B. Maia, Brian T. O’Callahan, Alisson R. Cadore, Ingrid D. Barcelos, Leonardo C. Campos, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Christoph Deneke, Alexey Belyanin, Markus B. Raschke, e Raul O. Freitas
Nano Letters 2019, 19, 2, 708-715
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Igor Zolnerkevic
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