Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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Ciência

Otimização de óptica para espectroscopia vibracional de infravermelho síncrotron na nanoescala

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Artigo relata layout óptico para correção de aberrações típicas observadas em linhas de luz de infravermelho


A nanoespectroscopia de infravermelho representa um grande avanço na análise química, pois permite a identificação de nanomateriais através de suas assinaturas vibracionais naturais (sem marcações). Classicamente alimentado por fontes de laser, o experimento chamado de Microscopia Ótica de Varredura de Campo Próximo do tipo espalhamento (s-SNOM) tornou-se uma ferramenta padrão para investigações de propriedades químicas e ópticas de materiais além do limite de difração da luz.

Ultimamente, o s-SNOM alcançou uma faixa de sensibilidade sem precedentes, explorando a excelente irradiância espectral das fontes de luz síncrotron em toda a faixa de infravermelho (IR). Nos últimos anos, a combinação de s-SNOM e infravermelho de síncrotron de banda ultra-larga (SINS ou nano-FTIR) tem ajudado estudos em relevantes frentes científicas envolvendo materiais constituídos por poucas camadas atômicas, ótica fundamental, biomateriais nanoestruturados e, muito recentemente, foi demonstrado ser viável para operar no infravermelho distante (far-IR).

As fontes de infravermelho nos anéis de armazenamento síncrotron podem ser até mil vezes mais brilhantes do que as fontes clássicas de IR de corpo-negro. Essa vantagem permitiu que as linhas de luz de IR fossem, por muitos anos, os únicos locais capazes de realizar micro-espectroscopia de infravermelho. No entanto, em comparação com as típicas saídas de raios X síncrotron, as linhas de luz de IR requerem saídas com grandes aberturas para permitir a extração de longos comprimentos de onda. Consequentemente, as linhas de luz de IR apresentam tipicamente aberrações ópticas, como grande profundidade de fonte e coma.

Para o experimento de nano-FTIR, o feixe de IR síncrotron deve ser focado em um cantilever de microscopia de força atômica (AFM), o que requer alta densidade de fluxo de IR no ponto focal. Assim, um ponto focal ultra-denso de radiação IR é essencial para alcançar uma relação sinal-ruído adequada para o experimento de nano-FTIR.

Em artigo publicado no periódico Optics Express, pesquisadores do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e colaboradores do síncrotron SOLEIL relataram o uso de um layout óptico especial dedicado a corrigir aberrações típicas derivadas de grandes portas de extração em linhas de luz de IR. Apesar desse conceito óptico ter sido previamente proposto, este é o primeiro relato experimental deste layout óptico operando em uma linha de luz. Com esta óptica de linha de luz de baixa aberração, a equipe testou os limites de sensibilidade do experimento de nano-FTIR, que foi capaz de identificar ligações C=O em um filme de polímero de 6 nm de espessura. O trabalho apresenta detalhes dos componentes ópticos, caracterização do feixe de infravermelho e números de desempenho que estão agora disponíveis para a comunidade.

Layout óptico proposto, câmara de extração de IR indicando a profundidade da fonte, ilustração do espelho cônico, ponto focal com aberração corrigida no estágio de amostra e esquema experimental do experimento de nano-FTIR em operação na linha de luz de infravermelho do LNLS. Figura adaptada de R. Freitas et al., Optics Express 26, 11238 (2018).

A equipe do LNLS espera que este novo desenvolvimento forneça um modelo para futuras linhas de luz IR preparadas para experimentos que exijam feixes livres de aberrações provindas da extração.

A estação IR1 de nano-FTIR está atualmente instalada no acelerador de 2ª geração do LNLS. Esta estação será transferida em breve para o Sirius, a nova fonte de luz síncrotron brasileira de 4ª geração, onde integrará a linha de luz IMBÚIA: um conjunto de estações experimentais de IR dedicadas à análise em multiescala. Programada para entrar em comissionamento no segundo semestre de 2019, a IMBÚIA tem como objetivo a espectroscopia de IR médio e distante com sensibilidade vibracional sem precedentes, proporcionada pelo maior brilho e níveis excepcionais de estabilidade do Sirius na faixa do infravermelho.

Fonte: Raul O. Freitas, Christoph Deneke, Francisco C. B. Maia, Helton G. Medeiros, Thierry Moreno, Paul Dumas, Yves Petroff and Harry Westfahl, Low-aberration beamline optics for synchrotron infrared nanospectroscopy, Optics Express 26 (9), 11238 (2018). DOI: 10.1364/OE.26.011238