A luz infravermelha é uma faixa do espectro eletromagnético com comprimentos de onda que vão de 750 nanômetros a 100 mícrons. Dentro desta faixa espectral são definidas três subfaixas chamadas de infravermelho próximo, médio e longo. O infravermelho próximo é rotineiramente aplicado em controles remotos, sensores de presença e outras ferramentas de metrologia. Por sua vez, o infravermelho médio é explorado em sensores e câmeras de calor. Já o infravermelho longo, comumente referido como radiação terahertz por estar próximo destas frequências, é utilizado em sondas não-destrutivas e espectrômetros de gases.

O infravermelho longo é uma radiação de baixa energia e não-destrutiva, apropriada para aplicações em materiais biológicos. Essa radiação também possui elevada penetração nos materiais permitindo seu uso na inspeção não-invasiva de mercadorias e/ou pessoas. Além disso, essa faixa tem capacidade de excitar modos vibracionais e rotacionais de inúmeras moléculas em gases e líquidos, o que possibilita a identificação e o estudo de novos materiais. Apesar dessas inúmeras propriedades únicas, a faixa de infravermelho longo foi por muito tempo um campo pouco explorado da ciência devido à pouca disponibilidade de fontes e detectores nesta faixa energética. Entretanto, nos últimos anos, os avanços em eletrônica e óptica possibilitaram inúmeros progressos nessa área.

Em fase com os avanços tecnológicos na detecção e emissão de infravermelho e impulsionada pela chegada dos materiais bidimensionais, a nanofotônica de infravermelho tem se dedicado a estudar novos materiais, como o grafeno, a fim de explorar suas propriedades e uso nessa faixa de energia. Neste contexto, óxidos semicondutores nano-estruturados têm ganhado relevância dada a abundância de elementos com afinidade química com o oxigênio aliada à variedade de formas em que eles podem ser sintetizados: nanopartículas (0D), nanofios (1D), nanofolhas (2D), nanocubos (3D), entre outras. No entanto, o confinamento e a manipulação de ondas longas na região do infravermelho nestes materiais permanecem como temas pouco desenvolvidos.

Dessa forma, pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), uma Organização Social supervisionada pelo Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), e colaboradores do Brasil e do exterior estudaram o confinamento de ondas longas de infravermelho em nanofitas de óxido de estanho (SnO₂).  Para isso, o grupo combinou experimentos de Nanoespectroscopia de Infravermelho realizados nas fontes de luz síncrotron UVX, do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), e ALS, do Lawrence Berkeley National Laboratory (EUA), e no laser de elétrons livres do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Alemanha).

O conjunto de experimentos, além de teoria e simulações numéricas, confirmou que nanofitas de SnO₂ são uma excelente plataforma nanofotônica para o confinamento de ondas longas de infravermelho. Este trabalho traz uma abrangente descrição das propriedades ópticas deste material como um dielétrico nanométrico e também como um material na forma de um guia de ondas. Através de imagens espectrais demonstrou-se que a luz é confinada em uma escala nanométrica formando uma cavidade de Fabry-Perot, um mecanismo que produz ondas estacionárias dentro do cristal. Por isso, de acordo com os pesquisadores, essa descoberta expande as possibilidades do uso do SnO₂, que na forma de nanofitas (1D) é naturalmente otimizado para aplicações em ressonadores ópticos e, potencialmente, guia de ondas na faixa de infravermelho longo.

A pesquisa foi realizada como uma colaboração entre pesquisadores do LNLS, do CNPEM, e pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG); Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UFTPR); Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP); Advanced Light Source (ALS) do Lawrence Berkeley National Laboratory (EUA); Technische Universität Dresden (TUD); e Free Electron Laser (FEL) do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Alemanha).

Figura: a) Esquema experimental que mostra o feixe de infravermelho longo iluminando uma ponta metálica de microscopia de força atômica (nano-antena) para o experimento nanoespectroscopia. A radiação infravermelha é confinada no ápice da ponta numa região de 25 nm. b) Imagens de microscopia eletrônica de nanofitas de SnO2. c) Fontes de infravermelho baseadas em aceleradores utilizadas nos experimentos. d) Vista da seção transversal do campo elétrico simulado de dentro da nanofita destacando a presença de ondas estacionárias. e) Visualização experimental dos modos de cavidade através de imagens hiperespectrais.

Fonte: Flávio H. Feres, Rafael A. Mayer, Lukas Wehmeier, Francisco C. B. Maia, E. R. Viana, Angelo Malachias, Hans A. Bechtel, J. Michael Klopf, Lukas M. Eng, Susanne C. Kehr, J. C. González, Raul O. Freitas and Ingrid D. Barcelos. Sub-diffractional cavity modes of terahertz hyperbolic phonon polaritons in tin oxide. Nature Communications, 2021, 12, pp 1995. DOI: 10.1038/s41467-021-22209-w