Visualizando estruturas em escala atômica com a força óptica

Fig.1 (a) Imagem esquemática da microscopia de força fotoinduzida. (b) (c) Imagens de microscopia de força induzida por foto de um ponto quântico medido usando diferentes comprimentos de onda (600 nm, 520 nm). (d) Perfis de força fotoinduzida para as imagens. Isso reflete a estrutura de energia eletrônica projetada para fotocatálise. Crédito: Universidade de Osaka

Uma equipe de cientistas liderada pelo Departamento de Física Aplicada da Universidade de Osaka, pelo Departamento de Física e Eletrônica da Universidade da Prefeitura de Osaka e pelo Departamento de Química de Materiais da Universidade de Nagoya usou microscopia de força fotoinduzida para mapear as forças que atuam nos pontos quânticos em três dimensões. Ao eliminar as fontes de ruído, a equipe conseguiu alcançar a precisão subnanométrica pela primeira vez, o que pode levar a novos avanços em fotocatalisadores e pinças ópticas.

Os campos de força não são as barreiras invisíveis da ficção científica, mas são um conjunto de vetores que indicam a magnitude e a direção das forças que atuam em uma região do espaço. A nanotecnologia, que envolve fazer e manipular dispositivos minúsculos como pontos quânticos, às vezes usa lasers para capturar e mover opticamente esses objetos. No entanto, a capacidade de analisar e lidar com sistemas tão pequenos requer uma maneira melhor de visualizar as forças 3D agindo sobre eles.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Osaka, Universidade da Prefeitura de Osaka e Universidade de Nagoya mostrou pela primeira vez como a microscopia de força fotoinduzida pode ser usada para obter diagramas de campo de força 3D com resolução de subnanômetro. “Conseguimos obter imagens do campo próximo óptico de nanopartículas usando um microscópio de força fotoinduzida. Isso mede a força óptica entre a amostra e a sonda causada pela irradiação de luz”, disse o primeiro autor Junsuke Yamanishi.

Fig.2 (a) Imagem de microscopia de força atômica de um ponto quântico. (b) Imagem de microscopia de força fotoinduzida em 660 nm. (c) Perfis de força fotoinduzida para a imagem. Foi obtida uma resolução espacial de menos de 1 nm. Crédito: Universidade de Osaka

A luz do laser foi direcionada para um ponto quântico colocado sob uma ponta de microscopia de força atômica. Mover o ponto em relação à ponta permitiu ao microscópio mapear o campo de força fotoinduzido 3D. A equipe foi capaz de atingir esse alto nível de precisão usando algumas melhorias experimentais. Eles usaram condições de ultra-vácuo para aumentar a sensibilidade da força e empregaram modulação de frequência heteródina, que envolve a mistura de duas outras frequências, para reduzir significativamente o impacto do aquecimento térmico. “Reduzimos o efeito fototérmico com esta tecnologia única e alcançamos uma resolução de menos de um nanômetro pela primeira vez”, disse o autor sênior Yasuhiro Sugawara.

Fig. 3 (a) Mapeamento do campo de força 3D da força fotoinduzida. (b) Mapa de campo de força fotoinduzido 3D obtido experimentalmente usando o laser com comprimento de onda de 660 nm. Setas coloridas indicam a magnitude e a direção da força no plano. O sombreado preto e branco indica a magnitude da força na direção da altura. (c) Mapa de campo de força fotoinduzido em 3D calculado teoricamente. A tendência de explicar bem os resultados dos experimentos é evidente. Crédito: Universidade de Osaka

Publicado em 30/06/2021 11h49

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