Um estudo publicado em Light:Ciência e Aplicações abre novos caminhos para estudos fundamentais de forte acoplamento vibracional, bem como para o desenvolvimento de novos sensores infravermelhos para reconhecimento químico de quantidades muito pequenas de moléculas. A interação de luz e matéria em nanoescala é um elemento-chave para muitos estudos fundamentais e aplicações tecnológicas, variando da coleta de luz à detecção de pequenas quantidades de moléculas.

Nas décadas recentes, muitas estratégias foram implementadas para melhorar as interações luz-matéria em nanoescala. Uma abordagem é baseada na concentração de luz com a ajuda de polaritons de plasmon de superfície propagada e localizada, que são oscilações eletrônicas coletivas em metais ou semicondutores que são acoplados à luz. Essas excitações eletromagnéticas podem concentrar luz em pontos em nanoescala, os chamados pontos de acesso. Em frequências de infravermelho médio, eles permitem a detecção de pequenas quantidades de moléculas. Este método é denominado espectroscopia de absorção no infravermelho intensificada por superfície (SEIRA). Contudo, estruturas plasmônicas de infravermelho médio típicas sofrem grandes perdas e não atingem a concentração final de luz.

Uma abordagem interessante, mas muito menos explorada, para melhorar a interação luz-matéria em nanoescala é baseada em materiais infravermelhos-fonônicos, em que a luz se acopla às vibrações da rede cristalina para formar os chamados polaritons de fônon. "Os ressonadores fonon-polariton oferecem perdas e confinamento de campo muito menores do que seus equivalentes plasmônicos no infravermelho médio. Por esse motivo, decidimos desenvolver e aplicar ressonadores infravermelhos-fonônicos para melhorar o acoplamento da luz infravermelha às vibrações moleculares, "diz a pós-doutoranda Marta Autore, primeiro autor do artigo.

A fim de desenvolver um método de SEIRA fonônico, os pesquisadores fabricaram um conjunto de matrizes de fitas feitas de flocos de nitreto hexagonal de boro (h-BN). Por espectroscopia de transmissão infravermelha, eles observaram ressonâncias de polariton de fônon estreitas. Então, eles depositaram camadas finas de uma molécula orgânica nas fitas. Isso levou a uma forte modificação da ressonância polariton do fônon, que poderia ser usado para detectar quantidades ultrapequenas de moléculas (N <10 ^-15 mol) que não foram detectáveis ​​quando depositados em substratos convencionais.

"Interessantemente, quando depositamos camadas mais espessas de moléculas nas fitas, observamos um desdobramento da ressonância polariton do fônon. Esta é uma assinatura típica de um fenômeno conhecido como acoplamento forte. Neste regime, a interação da luz e da matéria é tão forte que fenômenos excitantes, como a modificação de reações químicas, pode ocorrer condensação polariton ou transferência de energia de longo alcance e ultrarrápida, "diz Rainer Hillenbrand, líder do grupo nanoGUNE que liderou o trabalho. "No futuro, queremos dar uma olhada mais de perto no acoplamento forte aprimorado por fônon e o que podemos fazer com ele. "

As descobertas mostram o potencial dos ressonadores polariton de fônon para se tornarem uma nova plataforma para a detecção de infravermelho médio de quantidades ultra-pequenas de materiais e para explorar o forte acoplamento em nanoescala, abrindo o caminho para futuros estudos fundamentais de fenômenos quânticos ou aplicações como a modificação local da força da ligação química e catálise seletiva em nanoescala.