Nanoscopia THz de materiais 2Ds conduzida com THz laser de gás bombeado por fonte IR de cascata quântica

• Processo: 24/09159-7
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Pesquisa
• Data de Início da vigência: 06 de janeiro de 2025
• Data de Término da vigência: 05 de abril de 2025
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: Raul de Oliveira Freitas
• Beneficiário: Raul de Oliveira Freitas
• Pesquisador Anfitrião: Jean-Francois Lampin
• Instituição Sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação (Brasil). Campinas , SP, Brasil
• Instituição Anfitriã: Institut D'Electronique, De Microélectronique Et De Nanotechnologies, França
• Vinculado ao auxílio: 19/14017-9 - De ondas de éxcitons a THz-fônons: a nano-óptica de materiais 2Ds via nanoespectroscopia de infravermelho síncrotron, AP.JP
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: far-IR | nano óptica de 2Ds | nano-FTIR | s-SNOM | Terahertz | THz gas laser | nano-espectroscopia de THz

Resumo

Dado o rápido crescimento da nanofotônica, a exploração de materiais bidimensionais (2D) nas faixas espectrais do infravermelho distante (far-IR) e terahertz (THz) tornou-se cada vez mais importante. Esses materiais exibem propriedades ópticas únicas, como alto confinamento de ondas eletromagnéticas e interações luz-matéria aprimoradas, não vistas em suas formas macroscópicas. No entanto, a aplicação prática é dificultada por desafios como baixos coeficientes de absorção e sintonia limitada nestas faixas espectrais, que impedem o desenvolvimento de dispositivos fotônicos aplicáveis. Do lado prático, a geração de radiação terahertz (0,3 a 3,0 THz) apresenta desafios importantes devido à sua localização entre as faixas de microondas e infravermelho, crucial para aplicações como comunicações sem fio, radar, espectroscopia e astronomia. Vários métodos são usados para produzir radiação THz, incluindo multiplicadores harmônicos, eletrônica em vácuo e lasers ultrarrápidos. No entanto, esses métodos enfrentam limitações como custos elevados, baixa potência de emissão em torno de 1 THz e requisitos operacionais complexos. Os lasers em cascata quântica (QCLs) de Terahertz oferecem soluções compactas ainda não comerciais, mas com sintonia limitada e necessidades de operação criogênica. Lasers de infravermelho longo bombeados opticamente (OPFIR) usando lasers de CO2 para transições moleculares específicas podem gerar potências substanciais com larguras de linhas estreitas, mas são volumosos e com pouca liberdade de sintonia, reduzindo seu uso. Esta proposta de pesquisa de estágio no exterior (BEP) se concentra na implementação de Microscopia de Varredura de Campo Próximo por Espalhamento (s-SNOM), uma modalidade de nanoimagem espectral, na faixa de far-IR e THz, integrada com um laser molecular bombeado por lasers de cascata quântica (QPML) otimizado para estudar vários materiais 2D no Instituto de Eletrônica, Microeletrônica e Nanotecnologia (IEMN) em Lille/França. Esta iniciativa é inovadora porque marca a primeira integração do s-SNOM com um QPML. O projeto visa examinar Dichalcogenetos de Metais de Transição (TMDs) como MoS2 e WSe2 e o isolante topológico Bi2Se3, explorando sua atividade fononica e potenciais comportamentos fônon-polaritônicos como ondas super-confinadas. Em caso de sucesso, os resultados deste projeto estimularão uma melhora significativa das capacidades de análise em nanoescala nesta faixa de frequência, alinhando-se estrategicamente com os esforços do Brasil no desenvolvimento de novas linhas de luz de radiação síncrotron no LNLS para as faixas de far-IR e THz.