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31 de Julho de 2020

Acelerando o futuro dos dispositivos optoeletrônicos

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Pesquisa explora a dualidade onda-partícula para acelerar a luz em um cristal bidimensional usando substratos funcionais


O entendimento da luz e de sua interação com os mais diversos tipos de materiais foi, no século passado, uma importante via para descobertas científicas. Um exemplo proeminente é o efeito fotoelétrico: a emissão de elétrons por materiais quando sujeitos a incidência de luz em determinados comprimentos de onda. Teorias ondulatórias já explicavam o comportamento da luz em muitos fenômenos ópticos, mas não eram capazes de explicar as caracterisiticas do efeito fotoelétrico. A explicação para este fenômeno, como proposta por Einstein, exigia que a energia associada à luz pudesse assumir apenas valores bem definidos, ditos discretos ou quantizados, ou seja, a luz deveria ter também propriedades normalmente associadas a partículas.

Assim, devido ao efeito fotoelétrico e a outros fenômenos que exigiam da luz um comportamento corpuscular, surgia o conceito de dualidade onda-partícula, que serviu de base para o desenvolvimento do que se entende hoje como a mecânica quântica. O conhecimento fornecido pela mecânica quântica sobre a materia em seu nível mais fundamental é o que torna possível o desenvolvimento de transistores, lasers e tantas outras tecnologias essenciais para a sociedade atual.

Quando a luz atravessa e interage com determinados materiais, ela pode passar a se comportar de forma conjunta, ou acoplada, com outros fenômenos que ali acontecem como, por exemplo, as oscilações coletivas de átomos e moléculas, chamadas de fônons, ou as oscilações coletivas de elétrons, chamadas de plasmons. Essas oscilações coletivas também apresentam propriedades semelhantes a partículas e por isso são chamadas de quasipartículas. Ao se acoplar a essas quasipartículas, a luz se propaga no material na forma de quasipartículas híbridas chamadas respectivamente de fônon-poláriton e plasmon-poláriton.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) investigaram [1] o caráter onda-partícula da luz confinada em cristais bidimensionais de espessura nanométrica. Cristais de nitreto de boro hexagonal (hBN) foram depositados sobre substratos funcionais formados por uma camada de ouro (Au) recoberta por um filme fino de dióxido de silício ($\rm SiO_2$). A luz estudada se apresenta na forma de fônon-poláritons originados do acoplamento de um fóton infravermelho com uma ressonância vibracional causada no cristal de hBN pelo próprio fóton incidente.

Os fônon-poláritons têm a capacidade de confinar a luz por possuirem comprimentos de onda muitas vezes menores do que os dos fótons de excitação. Sendo, portanto, ondas eletromagnéticas de sub-comprimento de onda, os fonôn-poláritons, juntamente aos plásmon- e éxciton-poláritons são as principais formas da luz existentes nos materiais bidimensionais.

O grupo investigou experimentalmente os fônon-poláritons do hBN através da técnica de nanoespectroscopia por infravermelho de síncrotron (SINS, na sigla em inglês), que combina a luz infravermelha de alto brilho e ampla cobertura espectral produzida em uma fonte de luz síncrotron com uma nano-sonda de resolução espacial hábil para detectar o campo óptico dos poláritons.

A pesquisa demonstrou, primeiramente, a modulação da velocidade do pulso de poláritons no hBN por meio do controle da espessura do filme de $\rm SiO_2$ na heteroestruturas hBN/$\rm SiO_2$/$\rm Au$. Em seguida, foi apresentada a aceleração de um pulso de poláritons viajando no cristal de hBN suportado sobre uma cunha de $\rm SiO_2$ entalhada no filme de $\rm Au$. Não havia, até o momento, relatos sobre a aceleração desses poláritons. Os pesquisadores explicaram que a variação gradativa da espessura do dielétrico na cunha induz alterações de momento do poláriton – propriedade ondulatória – que, por sua vez, modifica sua massa efetiva – propriedade corpuscular – fazendo com que a velocidade do pulso aumente. Esses efeitos são gerais para qualquer tipo de poláriton e revelam o interessante aspecto quântico dessas quasipartículas.

Segundo os pesquisadores, as observações contribuem para o controle cada vez maior sobre a luz confinada em materiais nanométricos, e para o futuro desenvolvimento dispositivos optoeletrônicos bidimensionais ultracompactos.

Aumento da velocidade do pulso polaritônico através da modificação no seu caráter dual onda-partícula induzido por um substrato funcional: o momento do pacote de onda associado diminui com o aumento da espessura da cunha de $SiO_2$ levando a uma redução da massa efetiva do pulso.

Fonte: [1] Flávio H. Feres, Rafael A. Mayer, Ingrid D. Barcelos, Raul O. Freitas, and Francisco C. B. Maia, Acceleration of Subwavelength Polaritons by Engineering Dielectric-Metallic Substrates, ACS Photonics 2020 7 (6), 1396-1402. DOI: 10.1021/acsphotonics.0c00563