Campos eletromagnéticos de superfície mapeados em 3D em nanoescala

O primeiro mapa tridimensional do campo eletromagnético que “se agarra” à superfície de um cubo com menos de 200 nm de diâmetro lança uma nova luz sobre como os materiais dissipam o calor em nanoescala. As imagens, obtidas por investigadores em França e na Áustria, revelam a presença de excitações infravermelhas semelhantes a fotões, conhecidas como polaritons de fónons de superfície, perto da superfície do cubo – um fenómeno que pode ser explorado para afastar o calor residual dos componentes nanoelectrónicos e, assim, arrefecê-los.

Fônons são excitações vibracionais coletivas semelhantes a partículas (ou vibrações atômicas) que ocorrem em sólidos iônicos. Eles dão origem a campos elétricos oscilantes, que se acoplam aos fótons na superfície do sólido para criar polaritons de fônons de superfície (SPhPs). Esses híbridos de excitações vibracionais e fotônicas são encontrados apenas na superfície de um objeto e são, portanto, normalmente de pouca importância em materiais a granel. No entanto, a sua influência aumenta dramaticamente à medida que os objectos encolhem e a sua relação superfície-volume aumenta.

Os SPhPs também concentram energia eletromagnética na faixa de comprimento de onda do infravermelho médio (3 a 8 mm) até o infravermelho distante (15 a 1000 mm). Esta propriedade pode tornar possível utilizá-los em aplicações como espectroscopia aprimorada (Raman) de moléculas.

Visualizando o campo próximo

Todas essas aplicações dependem do campo eletromagnético nanoestruturado que existe nas superfícies de metamateriais ou nanopartículas. Visualizar este chamado campo próximo, no entanto, revelou-se difícil. Técnicas pioneiras como a espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS), que funciona medindo a energia que os elétrons perdem quando encontram esses campos de superfície, só podem produzir contornos 2D. Outras técnicas utilizam algoritmos de reconstrução sofisticados em combinação com EELS para gerar imagens 3D do campo, mas estas estavam anteriormente restritas a comprimentos de onda visíveis.

No novo trabalho, Mathieu Kociak e colegas do CNRS/Université Paris-Saclay, juntamente com Gerald Kothleitner da Universidade de Tecnologia de Graz, combinou modelos de computador com uma técnica chamada imagem espectral tomográfica EELS para obter imagens do campo 3D ao redor de um nanocristal de óxido de magnésio (MgO). Para fazer isso, eles usaram um microscópio eletrônico de tunelamento de varredura (STEM) de nova geração desenvolvido para espectromicroscopia de elétrons e fótons que pode sondar as propriedades ópticas da matéria com energia ultra-alta e resolução espacial. O instrumento (um NION Hermes 200 modificado chamado “Chromatem”) filtra um feixe de elétrons de 60 keV com um monocromador para produzir um feixe com uma resolução de energia entre 7 a 10 meV.

Técnica de inclinação

Ao escanear esse feixe de elétrons em sua amostra, Kociak, Kothleitner e colegas coletaram imagens anulares de campo escuro de alto ângulo que revelaram a forma do nanocubo de MgO. Eles então inclinaram a amostra em vários ângulos, criaram imagens do cubo em diferentes orientações e registraram um espectro EELS em cada posição de varredura. Finalmente, eles usaram técnicas de reconstrução de imagem para gerar imagens 3D do campo ao redor do cristal.

Polaritons de fônons de superfície aumentam a transferência de calor

A nova abordagem, que eles descrevem em Ciência, eventualmente tornará possível atingir pontos específicos no cristal e medir a transferência de calor localizada entre eles. Como muitos nanoobjetos absorvem luz infravermelha durante a transferência de calor, a técnica também deve fornecer imagens 3D de tais transferências. “Esta é uma via de exploração para otimizar a dissipação de calor nos componentes cada vez mais pequenos empregados na nanoeletrônica”, dizem os pesquisadores.

A equipe agora planeja aplicar sua técnica para estudar nanoestruturas mais complicadas. No entanto, Kociak diz Mundo da física que “alguns aspectos teóricos ainda precisam ser melhor compreendidos” antes que isso seja possível.

Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-electromagnetic-fields-mapped-in-3d-at-the-nanoscale/