O fóton incidente excita o nível vibracional da molécula (marcado em vermelho), o que faz com que a molécula emita o fóton em um comprimento de onda diferente. Imagem cortesia dos autores do estudo. Crédito:Instituto de Física e Tecnologia de Moscou
Cientistas do MIPT, Universidade ITMO (São Petersburgo), e seus colegas da Australian National University demonstraram experimentalmente que as nanopartículas de silício podem aumentar significativamente a intensidade do efeito Raman. Essas descobertas podem contribuir para o desenvolvimento de emissores de luz em nanoescala e amplificadores em nanoescala para linhas de telecomunicações de fibra óptica. Os resultados do estudo foram publicados em Nanoescala .
Usualmente, quando a luz interage com a matéria, não muda de cor, ou seja, o comprimento de onda da luz permanece o mesmo. Existem exceções, Contudo, e um deles é o chamado efeito Raman. Nesse caso, a luz incidente interage com uma molécula de tal forma que a energia da molécula aumenta em um valor correspondente ao movimento vibracional da molécula. A molécula então reemite um fóton com menor energia e, conseqüentemente, um comprimento de onda maior, o que significa que a luz fica "mais vermelha". Este processo também pode ocorrer em cristais a granel.
A descoberta do efeito Raman lançou um novo campo da ciência aplicada - a espectroscopia Raman. Este método permite que os pesquisadores detectem moléculas individuais de substâncias químicas. Além disso, o efeito Raman é amplamente utilizado hoje em redes de fibra óptica para amplificação de sinal.
Até agora, guias de onda e microcavidades esféricas maiores que o comprimento de onda de emissão têm sido empregados principalmente para o aumento do efeito Raman. Contudo, A miniaturização de dispositivos de telecomunicações requer o desenvolvimento de componentes ópticos menores, que consomem menos energia e são mais fáceis de "embalar" em um chip eletrônico ou óptico.
A radiação incidente excita a ressonância da partícula - modo dipolo magnético mostrado pela seta azul. O campo elétrico do modo magnético interage com as vibrações da rede cristalina na nanopartícula de silício ressonante, o que causa uma mudança no comprimento de onda da luz espalhada. Crédito:Imagem cortesia dos autores do estudo.
Os cientistas, incluindo Denis Baranov da MIPT procurou miniaturizar amplificadores Raman.
Os pesquisadores usaram nanoesferas de silício que suportam ressonâncias ópticas - as chamadas ressonâncias de Mie. Eles existem em qualquer partícula esférica e os comprimentos de onda dessas ressonâncias dependem do tamanho da partícula. Uma das ressonâncias que ocorre para o maior comprimento de onda é a ressonância dipolo magnética - seu comprimento de onda é geralmente comparável ao diâmetro da partícula. Em silício, Contudo, devido ao seu grande índice de refração, ressonância dipolar magnética é observada na faixa ótica (em comprimentos de onda maiores de 300 nanômetros) para nanopartículas com um diâmetro de aproximadamente 100 nanômetros.
Este fato torna minúsculas nanopartículas de silício úteis como elementos em miniatura para realçar vários fenômenos ópticos, incluindo emissão espontânea de luz, absorção de luz aprimorada, e alta geração de harmônicos.
Detalhe:uma imagem de uma partícula individual vista em um microscópio eletrônico. Crédito:Imagem cortesia dos autores do estudo.
No experimento, os cientistas estudaram o comportamento de nanopartículas de silício de diferentes tamanhos. A fim de determinar o tamanho das partículas, eles os colocaram sob um microscópio e os iluminaram com luz branca. Partículas de diâmetros diferentes demonstram ressonâncias de Mie em comprimentos de onda diferentes, resultando em cores brilhantes diferentes na imagem de campo escuro.
Os cientistas então testaram como a intensidade da emissão Raman depende do diâmetro de uma partícula de silício. A intensidade da emissão Raman estava no máximo no diâmetro ressonante da partícula, o que era inteiramente consistente com a teoria que os autores desenvolveram. A intensidade da emissão Raman de partículas ressonantes foi mais de 100 vezes maior do que a de partículas não ressonantes com outros diâmetros.
"O efeito Raman é incrivelmente útil na prática, e ajudará não apenas na detecção de quantidades microscópicas de compostos químicos, mas também na transmissão de informações a longas distâncias. Por causa da busca por dispositivos eletrônicos e ópticos menores, está se tornando cada vez mais importante para nós procurar nanoestruturas que possam aumentar esse efeito. Nossas observações revelaram um candidato potencial - nanopartículas de silício, "disse Denis Baranov, um aluno de pós-graduação do MIPT e um dos autores do artigo.
Nanopartículas de silício podem servir de base para o desenvolvimento de amplificadores ópticos em miniatura para redes de fibra óptica. No futuro, essas partículas podem fornecer uma plataforma para a construção de um nanolaser compacto usando espalhamento Raman estimulado, que oferece perspectivas para aplicações muito interessantes em medicina e biomicroscopia. Em particular, detectar sinais de emissão Raman de partículas no corpo humano permitirá que os especialistas rastreiem o movimento das moléculas de drogas.
O ponto máximo corresponde à excitação de ressonância dipolar magnética de uma nanopartícula de silício. Detalhe:a distribuição do campo elétrico dentro de uma partícula ressonante. Crédito:Imagem cortesia dos autores do estudo.
