Coerência espacial em espalhamento Raman

Determinar como a luz se espalha ao interagir com novos materiais pode ser importante não só para compreender o comportamento físico do sistema, mas também para determinar suas possíveis aplicações práticas.

Um avanço significativo nesse setor foi obtido por um grupo internacional de cinco físicos espalhados por Estados Unidos, Suíça e Brasil. O material estudado foi o grafeno, uma folha unidimensional feita de átomos de carbono distribuídos em arranjo hexagonal. E o fenômeno observado foi a coerência espacial no espalhamento Raman.

A coerência espacial é o que possibilita que dois feixes oriundos de uma mesma fonte interfiram entre si. O exemplo clássico desse fenômeno é a visibilidade das franjas em um experimento de interferência através de fenda-dupla, conhecido como experimento de Young. Apesar de ser amplamente explorada na área da óptica, até o presente a coerência espacial tem sido negligenciada no tratamento do espalhamento Raman, que consiste basicamente no espalhamento inelástico da luz pela matéria.

Essa abordagem se baseia na antiga teoria da coerência (desenvolvida para campo-distante), que prevê que o campo emitido por uma fonte incoerente se torna espacialmente descorrelacionado em escalas de comprimento maiores que metade do seu comprimento de onda. Neste caso, correlações em escalas muito menores que o comprimento de onda da luz emitida são inacessíveis em experimentos de espalhamento Raman convencionais, e o sinal medido em regime de campo-distante se revela como sendo completamente incoerente.

"Porém, nosso trabalho mostra que essa abordagem não é válida se tomarmos em conta as componentes não propagantes (campo-próximo) provenientes da interação entre luz e matéria", esclarece Luiz Gustavo Cançado, físico da UFMG (Universidade Federal de Minas Gerais) e um dos dois autores brasileiros do artigo, publicado em 28 de outubro no "Physical Review Letters". Outro autor brasileiro, também da UFMG, é Ado Jorio.

O esforço revelou experimentalmente que, devido a efeitos de coerência, as intensidades Raman em nanoescala dependem significativamente da simetria do modo vibracional e do confinamento espacial da vibração. “Sendo assim, baseado no nosso trabalho, técnicas de nanoespectroscopia aplicadas ao estudo de propriedades de materiais poderão explorar efeitos de coerência espacial de fônons ópticos”.

"Isso define um novo paradigma no estudo de propriedades de correlação em materiais emergentes", afirma Cançado. "No nosso caso em específico, medimos o comprimento de correlação de fônons ópticos no grafeno e extraímos um comprimento de 30 nm dos dados de espalhamento Raman realizado em regime de campo-próximo. Embora tenham sido amplamente estudados nos domínios de frequência e tempo, não havia até o momento um estudo revelando correlações espaciais em fônons ópticos no grafeno."

Segundo o pesquisador, a coerência de vibrações da rede é especialmente importante para a eletrônica baseada em grafeno, uma vez que o espalhamento de fônons ópticos no grafeno constitui o principal canal de relaxação de portadores de carga e dissipação de calor nesse sistema.

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