Artigo em destaque: Interações não lineares com um material bidimensional.



Quando o feixe de luz emitido por um apontador laser atinge uma janela de vidro de alguns milímetros de espessura, uma parte da luz é refratada, o que significa que a velocidade da onda de luz mudou quando ela entrou no vidro. Essa mudança pode ser facilmente quantificada: os índices de refração do ar e do vidro são de cerca de 1,00029 e 1,5, aproximadamente. O fenômeno da refração é bem conhecido; costuma ser ensinado na disciplina de Física no Ensino Médio e se encaixa na chamada Óptica Linear.

A luz emitida pelo apontador laser tem uma potência baixa, de alguns milésimos de watts. Entretanto, quando a potência do laser é muito alta (de dezenas ou milhares de watts), acontecem outros fenômenos na interação entre a luz e o material, os quais são chamados de “não lineares”. Um deles é fazer o vidro agir como uma lente convexa ou côncava. A magnitude desse efeito depende não apenas das características do feixe de luz, mas também do material, e pode ser quantificada pelo índice de refração não linear.

Configuração experimental básica para a técnica Z-scan, utilizada para medir o índice de refração e não linear do material estudado.
Configuração experimental básica para a técnica Z-scan, que foi utilizada para medir o índice de refração não linear do material estudado.

Uma equipe multidisciplinar que reuniu pesquisadores da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), da Universidade Presbiteriana Mackenzie e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos Estados Unidos (Air Force Research Laboratory, AFRL) conseguiu determinar, pela primeira vez, o coeficiente de refração não linear do ZrTe2 (telureto de zircônio) – material bidimensional, ainda pouco estudado, da família dos metais de transição dicalcogênicos (TMDs, na sigla em inglês). O estudo foi recentemente reportado em artigo publicado na Applied Physics Letters.

Os TMDs têm propriedades elétricas e ópticas únicas que dependem da sua espessura, a qual pode chegar à escala subnanométrica. De fato, camadas extremamente finas, transparentes e flexíveis podem ser produzidas com esses metais, que, logicamente, têm despertado interesse para diversas aplicações. Detalhe importante: para várias dessas aplicações, como, por exemplo, as relacionadas com imageamento médico, as propriedades mais importantes são as do universo da Óptica Não Linear.

Melissa Maldonado e Manoel L. da Silva Neto (primeiros autores do artigo). À direita, o professor Anderson Gomes, autor correspondente do paper.
Melissa Maldonado e Manoel L. da Silva Neto (primeiros autores do artigo). À direita, o professor Anderson Gomes, autor correspondente do paper.

Nesse contexto, o professor Anderson Stevens Leonidas Gomes (UFPE) vem desenvolvendo, há cerca de três anos, uma linha de pesquisa voltada ao estudo das propriedades não lineares de TMDs, realizada em colaboração com pesquisadores do AFRL. “Eles preparam o material e nós fazemos a caracterização óptica não linear”, conta o cientista. “O papel de Melissa Maldonado, que realizou doutorado e agora pós-doutorado sob minha supervisão, foi e está sendo essencial, pois ela domina com propriedade as técnicas de caracterização e foi a principal responsável pelos trabalhos nesta linha de pesquisa”, completa.

Vários materiais da família dos TMDs bidimensionais já foram estudados pela equipe. No trabalho publicado na Applied Physics Letters, os pesquisadores do AFRL preparam nanoflocos de telureto de zircônio de cerca de 1 nm de espessura e 50 a 100 nm de comprimento, utilizando um método que se baseia em laminar a superfície de nanopartículas mais espessas. As amostras viajaram do estado de Ohio até São Paulo e chegaram ao Mackenzie, onde foi realizada uma parte da caracterização. Finalmente, as amostras foram enviadas à UFPE, onde suas propriedades ópticas não lineares foram sondadas mediante o uso de um laser emissor de pulsos muito curtos e fortes, que interagiu com os nanoflocos de telureto de zircônio. Depois de realizar uma série de cálculos matemáticos, o professor Gomes e seu grupo conseguiram determinar o coeficiente de refração não linear do material. Mediante simulações computacionais, os autores puderam, ainda, entender a origem do fenômeno e, dessa maneira, abrir possibilidades para controla-lo.

“A principal contribuição científica deste trabalho é medir, de forma inequívoca e apropriada, um dos coeficientes ópticos que indicam a magnitude da não linearidade óptica do material”, diz o professor Anderson Gomes, que é autor correspondente do artigo. “Este coeficiente é importante para definir quais aplicações fotônicas podem ser exploradas neste material”, completa.

O trabalho recebeu apoio financeiro das agências brasileiras federais CNPq e Capes, do INCT Nanocarbono, da Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco (FACEPE) e da agência estadunidense AFOSR. Os autores utilizaram recursos computacionais do Núcleo Avançado de Computação de Alto Desempenho (NACAD) da COPPE/UFRJ.


Referência do artigo científico: Femtosecond nonlinear refraction of 2D semi-metallic redox exfoliated ZrTe2 at 800nm. Melissa Maldonado, Manoel L. da Silva Neto, Pilar G. Vianna, Henrique B. Ribeiro, Cid B. de Araujo, Christiano J. S. de Matos, Leandro Seixas, Ali M. Jawaid, Robert Busch, Allyson J. Ritter,  Richard A. Vaia, and Anderson S. L. Gomes. Appl. Phys. Lett. 118, 011101 (2021); doi: 10.1063/5.0031649

Contato do autor correspondente: Prof Anderson Gomes (UFPE) – anderson.lgomes@ufpe.br



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