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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)

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Publicações científicas (4)
(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)
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, . (12/50259-8, 18/25339-4, 19/14017-9, 15/10405-3, 15/11779-4)
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, . (20/15740-3, 19/14017-9)
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, . (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, . (19/14017-9)

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