Nano-óptica de poláritons em cristais bidimensionais e na interface metal/dielétrico no infravermelho médio-distante

• Processo: 22/02901-4
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Projeto Inicial
• Data de Início da vigência: 01 de março de 2023
• Data de Término da vigência: 31 de março de 2028
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Francisco Carlos Barbosa Maia
• Beneficiário: Francisco Carlos Barbosa Maia
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Alisson Ronieri Cadore ; Flávio Henrique Feres ; Ingrid David Barcelos
• Bolsa(s) vinculada(s): 24/01038-6 - Modos polaritônicos Fabry-Perot sintonizáveis em nanocavidades de cristais hiperbólicos, BP.DR; 24/00938-3 - Propagação de ondas de poláritons sobre substratos anisotrópicos e em regiões espectrais de épsilon próximo a zero, BP.DR
• Assunto(s): Óptica Nanotecnologia Polaritons Materiais bidimensionais Microscopia óptica Radiação síncrotron
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Imagens e espectroscopia de campo próximo | Materiais bidimensionais | Nano-óptica | Polaritons | Scattering-scanning optical near-field microscopy | Sins | s-SNOM | Synchrotron infrared nanoespectroscopy | Nano-óptica

Resumo

Poláritons são quasi-partículas originadas do acoplamento entre fótons e ressonâncias elementares da matéria. Nos últimos anos, pesquisas sobre o comportamento ondulatório e corpuscular de diferentes tipos de poláritons em cristais bidimensionais (2D) tem contribuído sobremaneira para a expansão do entendimento de importantes aspectos da nano-óptica. Destacam-se os fônon-poláritons hiperbólicos (hyperbolic phonon-polariton, HPhP) de cristais 2D de nitreto de boro de fase hexagonal (hexagonal boron nitride, hBN) e trióxido de molibdênio de fase a (a-MoO3) e plásmon-poláritons de superfícies de grafeno (surface plasmon-polaritons, SPP) e da interface metal/dielétrico. Em trabalhos recentes, estes poláritons mostraram novos fenômenos de nanofotônica como: o comprimento de onda eletronicamente ajustável de SSPs de grafeno, a aceleração de pulsos HPhP em cristais 2D suportados por heteroestruturas de metal-dielétrico, o efeito Cherenkov de modos HPhP devido interação com ondas SPP e guiamento configurável e transição topológica de HPhPs em heteroestruturas de a-MoO3. As perspectivas de aplicações vislumbradas discutem que, em analogia ao elétron para a eletrônica, poláritons podem se tornar os portadores de informação de futuros dispositivos ópticos ultracompactos, inteiramente construídos por materiais 2D, e com funcionamento baseado em suas propriedades lógicas. Estas razões motivam este projeto pesquisa que visa estudar casos científicos associados a sistemas 2D, ainda não explorados na literatura, que envolvem a propagação de poláritons ressonantes nas regiões espectrais de alto interesse tecnológico do infravermelho médio e distante (região espectral de TeraHertz, THz). No caso 1 será abordada a propagação de ondas polaritônicas em meios polaritônicos sobre substratos anisotrópicos e em regiões espectrais de épsilon próximo a zero (ENZ) criadas por ressonâncias de fônons. Tanto os substratos anisotrópicos quanto as ressonâncias ENZ podem alterar o comprimento de onda do polariton e o comprimento de propagação em direções bem definidas, oferecendo meios para induzir direcionalidade a essas ondas. No caso 2 modos polaritônicos de Fabry-Perot ajustáveis em nanocavidades de cristais hiperbólicos serão investigados visando controlar a luz em nanocavidades de condições de contorno modificáveis por estímulos eletrônicos. Tais nanocavidades ajustáveis apresentam promissoras funcionalidades de nanoantenas, componentes essenciais de futuros dispositivos 2D para troca de informações. Estes casos serão temas de tese de dois doutorados. Amostras e dispositivos serão construídos no Laboratório de Amostras Microscópicas do Sirius e no Laboratório de Dispositivos do Laboratório Nacional de Nanotecnologia e terão apoio da pesquisadora Ingrid D. Barcelos (LNLS e pesquisadora associada a este projeto). As respostas polaritônicas serão caracterizadas via scattering-scanning near field optical microscopy (s-SNOM) e synchrotron infrared nano spectroscopy (SINS). Ambas são modernas técnicas de imagem óptica que usam sondas nanométricas de alta resolução espacial (resolução lateral ~ 25 nm) e momento compatíveis com poláritons em sistemas 2D. Desta maneira, SINS e s-SNOM permitirão mapeamento completo das ondas polaritônicas esperadas nos casos mencionados. SINS e s-SNOM no infravermelho médio serão realizados na linha Imbuia do Sirius. s-SNOM em THz será feito no Free Electron Laser de Dresden, Alemanha, em colaboração com os pesquisadores Dr. Lukas Eng e Dra. Susanne Kehr da Dresden University of Technology. A investigação de novos fenômenos da nanofotônica de materiais e dispositivos 2D aqui proposta tem real potencial para gerar expressivo impacto científico, ampliar horizontes para futuras pesquisas e servir de base para o desenvolvimento de tecnologias baseadas em poláritons em plataformas 2D. (AU)

Publicações científicas

(5)

(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)

OBST, MAXIMILIAN; NOERENBERG, TOBIAS; ALVAREZ-PEREZ, GONZALO; DE OLIVEIRA, THALES V. A. G.; TABOADA-GUTIERREZ, JAVIER; FERES, FLAVIO H.; KAPS, FELIX G.; HATEM, OSAMA; LUFERAU, ANDREI; NIKITIN, ALEXEY Y.; et al. Terahertz Twistoptics-Engineering Canalized Phonon Polaritons. ACS NANO, v. 17, n. 19, p. 10-pg., 2023-09-22. (19/14017-9, 22/02901-4)

SANTOS, ERICK A.; ANCHIETA, CHAYENE G.; FERNANDES, RODOLFO C.; PINZON, MANUEL J.; MIRANDA, ANDRE N.; GALANTINI, ISABELA; MAIA, FRANCISCO C. B.; DOUBEK, GUSTAVO; RODELLA, C. B.; DA SILVA, LEONARDO M.; et al. Combining in situ electrochemistry, operando FTIR and post-mortem analyses to understand Co-Mn-Al spinels on mitigating shuttle effect in lithium-sulfur battery. NANO ENERGY, v. 116, p. 15-pg., 2023-08-28. (22/02222-0, 20/04281-8, 22/02901-4)

DE OLIVEIRA, RAPHAELA; YOSHIDA, ANA B. BARBOSA; RABAHI, CESAR R.; FREITAS, RAUL; TEIXEIRA, VERONICA C.; DE MATOS, CHRISTIANO J. S.; GOBATO, YARA GALVAO; BARCELOS, INGRID D.; CADORE, ALISSON R.. Ultrathin natural biotite crystals as a dielectric layer for van der Waals heterostructure applications. Nanotechnology, v. 35, n. 50, p. 11-pg., 2024-12-09. (15/13771-0, 19/14017-9, 22/11526-2, 14/07375-2, 22/08329-0, 22/10340-2, 22/02901-4)

MAYER, RAFAEL A.; WEHMEIER, LUKAS; TORQUATO, MATTHEUS; CHEN, XINZHONG; FERES, FLAVIO H.; MAIA, FRANCISCO C. B.; OBST, MAXIMILIAN; KAPS, FELIX G.; LUFERAU, ANDREI; KLOPF, J. MICHAEL; et al. Paratellurite Nanowires as a Versatile Material for THz Phonon Polaritons. ACS PHOTONICS, v. 11, n. 10, p. 11-pg., 2024-09-20. (22/02901-4, 20/15740-3, 19/14017-9, 23/09839-5)

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)