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

• Processo: 19/14017-9
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
• Vigência: 01 de novembro de 2020 - 31 de outubro de 2025
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Raul de Oliveira Freitas
• Beneficiário: Raul de Oliveira Freitas
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Francisco Carlos Barbosa Maia ; Helio Cesar Nogueira Tolentino ; Ingrid David Barcelos ; Narcizo Marques de Souza Neto
• Auxílios(s) vinculado(s): 23/05339-8 - Nanophotonics of 2D Materials (N2D 2023), AR.EXT; 22/14245-4 - SONATA: nano-imagem espectral síncrotron de grafeno rodado, AP.R SPRINT; 22/11987-0 - EMU concedido no processo 2019/14017-9: nanoscópio s-SNOM customizado e aprimorado para operação com IR-THz síncrotron, AP.EMU; 22/05457-8 - The 16th International Conference on Near-Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques, AR.EXT; 21/10487-0 - EMU concedido no processo 2019/14017-9: unidades de iluminação mid-IR-VIS para s-SNOM síncrotron, AP.EMU
• Bolsa(s) vinculada(s): 24/09159-7 - Nanoscopia THz de materiais 2Ds conduzida com THz laser de gás bombeado por fonte IR de cascata quântica, BE.PQ; 24/04695-8 - Modelagem da interação de campo-próximo em s-SNOM nas faixas de infravermelho médio ao terahertz, BP.IC; 23/09839-5 - Transições topológicas naturais e Luttinger-liquid plásmons em cristais bidimensionais de WTe2 na faixa de Terahertz, BP.PD; + mais bolsas vinculadas 23/11606-9 - Modelagem numérica de fenômenos nanofotônicos em materiais 2Ds em suporte à nanoscopia IR-THz no campo próximo, BP.MS; 23/09372-0 - Nanoespectroscopia de terahertz síncrotron: desenvolvimento experimental e aplicação em materiais nanoestruturados, BP.DD; 22/12357-0 - Projeto e fabricação de nano estruturas para análise via s-SNOM nas faixas de infravermelho e terahertz, BP.IC; 20/15740-3 - Nanofotônica de óxidos semicondutores de baixa dimensionalidade nas faixas de infravermelho e terahertz, BP.DR - menos bolsas vinculadas
• Assunto(s): Grafenos Materiais bidimensionais Radiação síncrotron Infravermelho Espectroscopia Microscopia eletrônica de varredura Acelerador de partículas Éxciton Fônons
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Grafeno | Infravermelho Síncrotron | Materiais bidimensionais | Microscopia de varredura óptica no campo próximo do tipo espalhamento | Polaritons | s-SNOM | Propriedades nano-ópticas de materiais

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)

Publicações científicas

(13)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

FERES, FLAVIO H.; MAYER, RAFAEL A.; WEHMEIER, LUKAS; MAIA, FRANCISCO C. B.; VIANA, E. R.; MALACHIAS, ANGELO; BECHTEL, HANS A.; KLOPF, J. MICHAEL; ENG, LUKAS M.; KEHR, SUSANNE C.; et al. Sub-diffractional cavity modes of terahertz hyperbolic phonon polaritons in tin oxide. NATURE COMMUNICATIONS, v. 12, n. 1, MAR 31 2021. (19/14017-9, 19/08818-9)

FREITAS, RAUL O.; CERNESCU, ADRIAN; ENGDAHL, ANDERS; PAULUS, AGNES; LEVANDOSKI, JOAO E.; MARTINSSON, ISAK; HEBISCH, ELKE; SANDT, CHRISTOPHE; GOURAS, GUNNAR KEPPLER; PRINZ, CHRISTELLE N.; et al. Nano-Infrared Imaging of Primary Neurons. CELLS, v. 10, n. 10, OCT 2021. (19/14017-9)

DE BRITO, CAIQUE SERATI; RABAHI, CESAR RICARDO; TEODORO, MARCIO DALDIN; FRANCO, DOUGLAS F.; NALIN, MARCELO; BARCELOS, INGRID D.; GOBATO, YARA GALVAO. Strain engineering of quantum confinement in WSe2 on nano-roughness glass substrates. Applied Physics Letters, v. 121, n. 7, p. 7-pg., 2022-08-15. (19/23488-5, 16/16900-9, 19/14017-9, 18/19272-4, 13/07793-6)

GRASSESCHI, D.; BAHAMON, D. A.; MAIA, F. C. B.; BARCELOS, I. D.; FREITAS, R. O.; DE MATOS, C. J. S.. an der Waals materials as dielectric layers for tailoring the near-field photonic response of surface. Optics Express, v. 30, n. 1, p. 255-264, JAN 3 2022. (12/50259-8, 18/25339-4, 19/14017-9, 15/10405-3, 15/11779-4)

GOBATO, Y. GALVAO; DE BRITO, C. SERATI; CHAVES, A.; PROSNIKOV, M. A.; WOZNIAK, T.; GUO, SHI; BARCELOS, INGRID D.; V. MILOSEVIC, M.; WITHERS, F.; CHRISTIANEN, P. C. M.. Distinctive g-Factor of Moire-Confined Excitons in van der Waals Heterostructures. Nano Letters, v. 22, n. 21, p. 6-pg., 2022-10-24. (18/01808-5, 14/07375-2, 19/14017-9, 15/13771-0, 19/23488-5)

DE OLIVEIRA, RAPHAELA; CADORE, ALISSON R.; FREITAS, RAUL O.; BARCELOS, INGRID D.. Review on infrared nanospectroscopy of natural 2D phyllosilicates. JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA A-OPTICS IMAGE SCIENCE AND VISION, v. 40, n. 4, p. 12-pg., 2023-04-01. (19/14017-9)

FERES, FLAVIO H.; BARCELOS, INGRID D.; CADORE, ALISSON R.; WEHMEIER, LUKAS; NOERENBERG, TOBIAS; MAYER, RAFAEL A.; FREITAS, RAUL O.; ENG, LUKAS M.; KEHR, SUSANNE C.; MAIA, FRANCISCO C. B.. Graphene Nano-Optics in the Terahertz Gap. Nano Letters, v. 23, n. 9, p. 8-pg., 2023-05-01. (22/11987-0, 22/02901-4, 19/14017-9, 21/10487-0)

DE OLIVEIRA, RAPHAELA; GUALLICHICO, LUIS A. G.; POLICARPO, EDUARDO; CADORE, ALISSON R.; FREITAS, RAUL O.; DA SILVA, FRANCISCO M. C.; TEIXEIRA, VERONICA DE C.; PANIAGO, ROBERTO M.; CHACHAM, HELIO; MATOS, MATHEUS J. S.; et al. High throughput investigation of an emergent and naturally abundant 2D material: Clinochlore. Applied Surface Science, v. 599, p. 12-pg., 2022-10-15. (19/14017-9)

COSTA, FABIO J. R.; BRITO, THIAGO G-L; BARCELOS, INGRID D.; ZAGONEL, LUIZ FERNANDO. Impacts of dielectric screening on the luminescence of monolayer WSe2. Nanotechnology, v. 34, n. 38, p. 10-pg., 2023-09-17. (21/06893-3, 19/14017-9)

LONGUINHOS, RAPHAEL; CADORE, ALISSON R.; BECHTEL, HANS A.; MATOS, CHRISTIANO J. S. DE; FREITAS, RAUL O.; RIBEIRO-SOARES, JENAINA; BARCELOS, INGRID D.. Raman and Far-Infrared Synchrotron Nanospectroscopy of Layered Crystalline Talc: Vibrational Properties, Interlayer Coupling, and Symmetry Crossover. Journal of Physical Chemistry C, v. 127, n. 12, p. 10-pg., 2023-03-01. (19/14017-9, 20/04374-6, 18/07276-5, 18/25339-4)

MAYER, RAFAEL A.; FERES, FLAVIO H.; MAIA, FRANCISCO C. B.; BARCELOS, INGRID D.; MCLEOD, ALEXANDER S.; RODIN, ALEKSANDR; FREITAS, RAUL O.. Guidelines for Engineering Directional Polariton Launchers. PHYSICAL REVIEW APPLIED, v. 18, n. 3, p. 10-pg., 2022-09-30. (19/08818-9, 20/15740-3, 19/14017-9)

BARCELOS, INGRID D.; CANASSA, THALITA A.; MAYER, RAFAEL A.; FERES, FLAVIO H.; DE OLIVEIRA, EYNARA G.; GONCALVES, ALEM-MAR B.; BECHTEL, HANS A.; FREITAS, RAUL O.; MAIA, FRANCISCO C. B.; ALVES, DIEGO C. B.. ltrabroadband Nanocavity of Hyperbolic Phonon-Polaritons in 1D-Like alpha-MoO. ACS PHOTONICS, v. 8, n. 10, p. 3017-3026, OCT 20 2021. (20/15740-3, 19/14017-9)

MAYER, RAFAEL A.; FERES, FLAVIO H.; FREITAS, RAUL O.; IEEE. Synchrotron infrared nanospectroscopy as a game changer in nanophotonics. 2021 SBFOTON INTERNATIONAL OPTICS AND PHOTONICS CONFERENCE (SBFOTON IOPC), v. N/A, p. 6-pg., 2021-01-01. (19/14017-9)