Pesquisadores da CIC nanoGUNE BRTA (San Sebastian, Espanha), em colaboração com o Donostia International Physics Center (San Sebastián, Espanha) e a Universidade de Oviedo (Espanha) empregaram uma técnica de nanoimagem espectroscópica para estudar como a nanolight infravermelha - na forma de polaritons de fônon - e as vibrações moleculares interagem entre si.

As imagens revelam que um forte acoplamento vibracional pode ser alcançado, que é um fenômeno que recentemente atraiu grande atenção por seu uso potencial para controlar propriedades físicas e químicas fundamentais de materiais. O resultado pode levar ao desenvolvimento de uma nova plataforma para identificação química no chip de pequenas quantidades de moléculas e para estudar aspectos fundamentais dos fenômenos de acoplamento forte em escala nanométrica. O trabalho foi publicado em Nature Photonics .

A luz desempenha um papel essencial na ciência e tecnologia modernas, com aplicações que variam de comunicação ótica rápida a diagnóstico médico e cirurgia a laser. Em muitos desses aplicativos, a interação da luz com a matéria é de fundamental importância.

Em frequências infravermelhas, a luz pode interagir com as moléculas por meio de suas vibrações que ocorrem em frequências específicas das moléculas. Por essa razão, materiais moleculares podem ser identificados medindo sua reflexão infravermelha ou espectros de transmissão. Esta técnica, frequentemente chamada de espectroscopia de impressão digital infravermelha, é amplamente utilizado para a análise de produtos químicos, substâncias biológicas e médicas.

Recentemente, descobriu-se que a interação entre a luz infravermelha e as vibrações moleculares pode ser tão forte que, eventualmente, as propriedades do material são modificadas, como condutividade e reatividade química. Esse efeito - chamado de forte acoplamento vibracional - pode ocorrer quando um material é colocado em uma microcavidade (normalmente formada por espelhos separados por distâncias do tamanho de um micrômetro) na qual a luz é concentrada.

A força da interação entre luz e matéria depende fortemente da quantidade de matéria. Consequentemente, a interação enfraquece quando o número de moléculas é reduzido, aplicações desafiadoras de espectroscopia de infravermelho e, eventualmente, impedindo que um forte acoplamento vibracional seja alcançado. Este problema pode ser superado concentrando a luz em nanocavidades ou comprimindo seu comprimento de onda, o que leva ao confinamento leve.

"Uma compressão particularmente forte de luz infravermelha pode ser alcançada acoplando-a a vibrações de rede (fônons) de camadas finas de cristais polares de alta qualidade. Esse acoplamento leva à formação de ondas infravermelhas - chamadas de polaritons de fônons - que se propagam ao longo do camada de cristal com um comprimento de onda que pode ser mais de dez vezes menor que o da onda de luz correspondente no espaço livre, "diz Andrei Bylinkin, primeiro autor da obra.

Agora, os pesquisadores estudaram o acoplamento entre as vibrações das moléculas e a propagação dos polaritons dos fônons. Primeiro, eles colocaram uma fina camada de nitreto de boro hexagonal (menos de 100 nm de espessura) sobre as moléculas orgânicas. O nitreto de boro hexagonal é um cristal de van der Waals a partir do qual finas camadas de alta qualidade podem ser facilmente obtidas por esfoliação. Próximo, foi necessário gerar polaritons de fônon na fina camada de nitreto de boro. "Isso não pode ser alcançado apenas projetando luz infravermelha sobre a camada de nitreto de boro, porque o momento da luz é muito menor do que o momento dos polaritons do fônon, "diz Andrei Bylinkin.

O problema da incompatibilidade de momento foi resolvido com a ajuda da ponta de metal afiada de um microscópio de campo próximo de varredura, que atua como uma antena para luz infravermelha e a concentra em um ponto infravermelho em nanoescala no ápice da ponta que fornece o momento necessário para gerar polaritons de fônon. O microscópio também desempenha um segundo papel importante. "Isso nos permitiu obter imagens dos polaritons do fônon que se propagam ao longo do nitreto de boro enquanto interagem com as moléculas orgânicas próximas, "diz Rainer Hillenbrand que liderou o estudo." Dessa forma, pudemos observar no espaço real como os polaritons dos fônons acoplam-se às vibrações moleculares, formando assim polaritons híbridos, " ele adicionou.

O conjunto de imagens que foram registradas em várias frequências infravermelhas em torno da ressonância das vibrações moleculares revelou vários aspectos fundamentais. Os polaritons híbridos são fortemente atenuados na frequência da vibração molecular, o que pode ser interessante para futuras aplicações de detecção no chip. As imagens espectralmente resolvidas também mostraram que as ondas se propagam com velocidade de grupo negativa, e o mais importante, que o acoplamento entre os polaritons do fônon e as vibrações moleculares é tão forte que cai no regime de forte acoplamento vibracional.

"Com a ajuda de cálculos eletromagnéticos, pudemos confirmar nossos resultados experimentais, e prever ainda que o forte acoplamento deve ser possível mesmo entre camadas de poucos átomos de nitreto de boro e moléculas, "diz Alexey Nikitin.

A possibilidade de forte acoplamento vibracional na escala nanométrica extrema poderia ser usada no futuro para o desenvolvimento de dispositivos de espectroscopia ultrassensível ou para estudar aspectos quânticos de forte acoplamento vibracional que não eram acessíveis até agora.