p Os nanotubos de carbono podem ser produzidos com uma variedade de formas e propriedades e, portanto, são de muito interesse para aplicações generalizadas em campos tão diversos como a eletrônica, fotônica, nanomecânica, e óptica quântica. Por isso, é importante ter à mão uma ferramenta que permita determinar essas propriedades de forma rápida e precisa. A espectroscopia Raman é particularmente sensível para a estrutura química que dá origem a essas propriedades. Contudo, os sinais são intrinsecamente fracos e exigem técnicas de aprimoramento. Agora, uma equipe de pesquisadores da Divisão de Espectroscopia Laser do Prof. Theodor W. Hänsch (Diretor do Instituto Max Planck de Óptica Quântica e Presidente de Física Experimental da Ludwig-Maximilians-Universität, Munique) desenvolveu uma técnica, onde uma microcavidade óptica é usada para aumentar os sinais de espalhamento Raman, e utilizou-o para diagnósticos moleculares por imagens combinadas de Raman e absorção. Em contraste com outras técnicas, a nova abordagem depende apenas do aumento das flutuações de vácuo do campo eletromagnético dentro de uma cavidade, que permite uma melhoria significativa sem fundo indesejado, e assim torna a técnica uma ferramenta promissora para imagens moleculares. p Cada espécie molecular tem sua própria impressão digital de frequências vibracionais que carregam informações sobre sua estrutura química. A espectroscopia Raman permite detectar opticamente o espectro vibracional de uma maneira poderosa por espalhamento de luz inelástica. Como uma técnica óptica, ele pode habilitar imagens espaciais e, assim, combinar contraste químico com alta resolução espacial. Esta capacidade abre uma grande variedade de aplicações para microscopia Raman, que vão desde a análise de amostras biológicas à caracterização de nanomateriais e monitoramento de processos industriais.

p No presente estudo, nanotubos de carbono individuais são investigados. Os nanotubos vêm em uma variedade de diâmetros e podem ser metálicos ou semicondutores. A espectroscopia Raman é particularmente sensível à estrutura molecular que governa essas propriedades, e a imagem Raman permite determinar isso para nanotubos individuais. Contudo, o espalhamento Raman convencional sofre de sinal inerentemente baixo, o que é particularmente grave para aplicações de imagem e ao estudar nanossistemas individuais. "Nossa abordagem é colocar a amostra de nanotubos, disperso em um substrato, dentro de uma cavidade microscópica, onde ressonâncias ópticas podem ser aproveitadas para melhorar o processo de espalhamento Raman. Ao mesmo tempo, a cavidade pode ser digitalizada através da amostra e focaliza a luz para um tamanho de ponto não muito longe do limite de difração, de modo que imagens de alta resolução possam ser geradas ", explica o Dr. David Hunger, um dos cientistas que trabalham no projeto. "A cavidade amplifica tanto o processo de espalhamento Raman quanto a absorção da amostra. Isso permite combinar microscopia de absorção ultrassensível com imagem Raman em uma única medição."

p Para aumentar o efeito de realce da cavidade, no final das contas, pequenas cavidades capazes de armazenar luz para muitos milhares de circulações são necessárias - o que é um desafio particular quando, além disso, recursos de digitalização para fins de imagem são desejados. Na configuração da microcavidade, desenvolvido pelo Dr. David Hunger e sua equipe, um dos lados do ressonador é feito de um espelho plano que serve ao mesmo tempo como portador da amostra sob investigação. A contraparte é um microespelho fortemente curvo na face final de uma fibra óptica. A luz laser é acoplada ao ressonador por meio dessa fibra. O espelho plano é movido ponto a ponto em relação à fibra para trazer a amostra passo a passo para o foco do modo de cavidade. Ao mesmo tempo, a distância entre os dois espelhos é ajustada de modo que a condição de ressonância para a cavidade seja combinada com uma ressonância de um processo de espalhamento Raman. Isso requer uma precisão de posicionamento na faixa de dezenas de picômetros. "Para obter um espectro Raman completo, ajustamos passo a passo a separação do espelho para varrer uma ressonância da cavidade ao longo da faixa espectral desejada e coletar o sinal de espalhamento Raman aprimorado pela cavidade, "explica Thomas Hümmer, o principal aluno de doutorado do experimento. "Como as ressonâncias da cavidade são extremamente estreitas, isso pode levar a uma resolução espectral muito além das capacidades dos espectrômetros Raman convencionais. "

p Ao mesmo tempo, o sinal Raman é fortemente aprimorado, devido ao chamado efeito Purcell. Esse efeito vem do aumento das flutuações de vácuo e do grande tempo de vida do fóton dentro da microcavidade. No experimento, isso leva a um aumento da luz ressonante em um fator de até 320. Ao comparar o sinal líquido obtido a partir de uma única linha Raman da cavidade com o sinal obtido com o melhor microscópio convencional possível, o experimento de cavidade atinge um aumento de mais de 6 vezes. Outras melhorias devem permitir aumentar este aprimoramento em várias ordens de magnitude no futuro.

p Todo o potencial da técnica é então demonstrado por imagem hiperespectral com realce da cavidade. Em tal medição, espectros Raman aprimorados por cavidade são registrados em muitos locais no espelho, e uma imagem espacial pode ser construída, exibindo, por exemplo a força ou a forma da linha das linhas Raman. "Em nosso experimento, estudamos uma transição Raman particular, que é sensível ao diâmetro e às propriedades eletrônicas do nanotubo. A partir da imagem hiperespectral, podemos deduzir o tamanho de um grande conjunto de tubos individuais e determinar se eles são metálicos ou semicondutores, "explica Thomas Hümmer. Essa análise pode fornecer informações cruciais sobre uma amostra.

p A aplicabilidade do método a uma grande variedade de amostras o torna uma ferramenta promissora para imagens Raman de molécula única. Além disso, o esquema poderia ser estendido para construir lasers Raman com uma variedade de novos materiais, ou pode ser usado para obter controle quântico sobre as vibrações moleculares.