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De ondas de éxcitons a THz-fônons: a nano-óptica de materiais 2Ds via nanoespectroscopia de infravermelho síncrotron

Resumo

Supercondutividade em isolantes topológicos atomicamente finos, ferromagnetismo em cristais de van der Waals e ângulos mágicos regulando supercondutividade "high TC" em bicamadas de grafeno são descobertas extraordinárias que, surpreendentemente, aconteceram apenas nos últimos 2 anos. Este tipo de avanço tem sido rotineiro na última década em consequência do impacto da descoberta do grafeno e respectivamente de outros materiais bidimensionais (2Ds). No contexto de novos materiais 2Ds e da nova física revelada por estas plataformas quânticas, uma variedade de fenômenos acontece na faixa de energias de poucos meV (frequências de alguns terahertz), são confinados espacialmente em volumes nanométricos e possuem dinâmica temporal de femto a picossegundos. Neste espaço de parâmetros, não há experimentos disponíveis capazes de acessar esses novos fenômenos em suas plenitudes. Este projeto de pesquisa visa o desenvolvimento de uma instrumentação pioneira que combinará radiação síncrotron de banda larga na faixa de infravermelho (IR) e THz (linha IMBUIA do Sirius) com lasers ultrarrápidos de banda estreita nas faixas do visível ao far-IR no experimento de microscopia de varredura óptica de campo próximo do tipo espalhamento (s-SNOM), uma modalidade de ultramicroscopia além do limite clássico de difração. O projeto ainda prevê o acesso a fenômenos ultrarrápidos nesses 2Ds em experimentos "pump and probe" combinando o pulso de poucos picossegundos de largura do Sirius com pulsos ultracurtos de lasers de banda estreita sintonizáveis do visível ao THz. Dada a baixa energia destes fenômenos, o desenvolvimento experimental também prevê a implementação de um estágio criogênico até 20 K. O desenvolvimento experimental tem como lema científico o estudo de propriedades dielétricas locais de materiais 2Ds, com especial atenção a questões abertas envolvendo propriedades nanofotônicas de sistemas baseados em grafeno/Nitreto de Boro hexagonal e ondas de fônons poláritons em Dicalcogenetos de Metais de Transição. O projeto será um marco para o estabelecimento de um novo grupo de pesquisa no tema de nano-óptica de materiais 2Ds utilizando s-SNOM síncrotron e colocará o Brasil na vanguarda desta modalidade instrumental, dado que não há registros de experimentos s-SNOM operando em modo de espectroscopia na faixa de THz com resolução espacial de poucos nanômetros. A execução da proposta envolverá a formação de 3 alunos e contará com a atuação de 2 pesquisadores associados, 1 post-doc e 2 engenheiros físicos do CNPEM. O projeto também prevê uma melhora expressiva na sensibilidade da técnica s-SNOM a qual viabilizará sua aplicação em várias outras disciplinas, servindo prontamente à comunidade multiusuário do LNLS. Durante o período de transição para o novo acelerador Sirius (2019 a 2021), as fontes lasers solicitadas nesta proposta permitirão o atendimento parcial das demandas deste programa de usuários do LNLS. (AU)