As nanoestruturas são o Santo Graal de novos materiais. O maravilhoso material grafeno, por exemplo, é uma única camada de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal que, por causa de sua condutividade, flexibilidade, transparência e força, tem o potencial de criar células solares mais eficientes, circuitos elétricos e microchips menores e mais rápidos, telas transparentes, e capacitores e baterias de alta densidade.

De acordo com Xiaoji Xu, professor assistente do Departamento de Química da Universidade de Lehigh, outra qualidade que torna os nanomateriais como o grafeno tão especiais é sua capacidade de gerar um fenômeno físico chamado polariton.

Polaritons são quasipartículas resultantes de um forte acoplamento de ondas eletromagnéticas com uma excitação portadora de um dipolo elétrico ou magnético - referido por alguns como um acoplamento luz-matéria. Os polaritons possibilitam que as nanoestruturas confinem - e comprimam - a luz ao redor do material.

A capacidade de comprimir a luz é a chave para reduzir os dispositivos para futuras comunicações ópticas e computação. Também pode levar à detecção em uma escala abaixo de um nanômetro, importante para alcançar avanços biomédicos na detecção de doenças, prevenção e tratamento.

O desafio para quem estuda esses materiais, diz Xu, é como revelar - e caracterizar - os polaritons em nanoescala porque nenhum microscópio convencional pode fazer isso.

Agora, Xu e sua equipe encontraram uma maneira de revelar a forma 3-D da interação do polariton em torno de uma nanoestrutura. Sua técnica melhora a técnica de imagem espectroscópica comum conhecida como microscopia óptica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento (s-SNOM). O método da equipe, chamado de microscopia óptica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento de força de pico (PF-SNOM), funciona por meio de uma combinação de modo de batimento de força de pico e detecção de luz limitada por tempo. Os pesquisadores detalharam seu trabalho em um artigo chamado:"Microscopia ótica de campo próximo de varredura tomográfica e multimodal do tipo espalhamento com modo de batimento de força de pico" publicado online em 21 de maio de 2018 em Nature Communications . Além de Xu, os co-autores do artigo incluem Haomin Wang, Le Wang e Devon S. Jakob, Ph.D. alunos no laboratório de Xu.

No papel, os autores declaram:"O PF-SNOM permite o corte direto de sinais verticais de campo próximo de uma superfície de amostra para imagens tridimensionais de campo próximo e análise espectroscópica. O relaxamento induzido pela ponta de polaritons de fônon de superfície é revelado e modelado considerando o amortecimento da ponta . "

De acordo com os pesquisadores, O PF-SNOM também oferece uma resolução espacial melhorada de cinco nanômetros, em vez dos dez nanômetros típicos oferecidos pelo s-SNOM tradicional.

"Nossa técnica pode ser benéfica para cientistas que estudam nanoestruturas, permitindo-lhes compreender melhor como o campo elétrico é distribuído em torno de uma determinada nanoestrutura, "diz Xu.

Seu método de caracterização PF-SNOM não é apenas mais direto do que as técnicas existentes, ele também pode obter simultaneamente o polaritônico, informações mecânicas e elétricas.

Com uma medição, explica Xu, vários modos de informação podem ser obtidos - uma vantagem única.

O desenvolvimento do PF-SNOM surgiu do estudo da equipe do modo de lacuna, quando duas estruturas plasmônicas se aproximam dentro de alguns nanômetros, há um grande aumento da intensidade plasmônica no intervalo entre as duas estruturas conforme a energia é transferida de uma estrutura para a outra. Com sua capacidade de estreitar essa resposta de modo de lacuna em simulações, os pesquisadores decidiram tentar estendê-lo para o modo sem lacuna - ao aumentar a distância entre a ponta da sonda de microscopia de força atômica (AFM) e a amostra.

"Usando uma dica de AFM, medimos a luz espalhada em função da distância ponta-amostra, "explica Wang, um Ph.D. aluno do laboratório de Xu e co-autor do artigo. "Nós então reunimos informações em diferentes distâncias ponta-amostra e combinamos todas essas informações em camadas para obter a imagem tomográfica e revelar a estrutura de polariton 3-D."

Interessantemente, quando a equipe começou seus experimentos, eles esperavam um resultado diferente. Contudo, durante as simulações, eles observaram uma forma especial de dispersão de luz e viram que havia um aumento óbvio do modo de lacuna.

"Descobrimos que podíamos dividir a luz em diferentes distâncias de amostras de ponta e usar esses sinais para visualizar a resposta do campo próximo em diferentes camadas e em direções verticais, "diz Wang.

Ele acrescenta:"Embora este trabalho tenha sido feito com infravermelho, em princípio, também poderia ser estendido a outras frequências, como visível e terahertz. "