Sobre as oscilações opto-induzidas em partículas semicondutoras em pinças ópticas
Authors:   , Moura Tiago de Assis 
Published: June 2023

Desde os trabalhos iniciais de Arthur Ashikin em 1970, as pesquisas sobre a manipulação de partículas através da técnica de pinças ópticas vem crescendo fortemente. À grosso modo, a técnica de pinças ópticas consiste em um feixe de laser (geralmente operando no modo TEM,9) altamente focalizado por uma objetiva de grande abertura numérica, capaz de aprisionar partículas próxima a região focal. A manipulação de partículas dielétricas e metálicas tem encontrado uma grande aplicação no estudo de processos bioquímicos e biofísicos, indo desde a investigação de parâmetros mecânicos de polímeros orgânicos à complexidade de mecanismos celulares. Com o desenvolvimento de novos materiais, se tornou necessário conhecer o comportamento desses materiais quando manipulados utilizando pinças ópticas. Nosso grupo foi o primeiro a estudar experimentalmente a manipulação óptica de partículas de isolantes topológicos (BipTes e BiçSes), mostrando que tais materiais exibem uma dinâmica oscilatória no plano perpendicular à direção de propagação do laser. Interpretamos o comportamento oscilatório das partículas de isolante topológico como sendo o resultado da competição entre a força de gradiente (sempre atrativa) e a resultante das forças de espalhamento e fotoforética (sempre repulsivas). Nesse trabalho, nós estudamos o comportamento das partículas semicondutoras (silício e germânio) quando manipuladas com pinças ópticas. Nós observamos que em ambos os casos o sistema também exibe dinâmica oscilatória, mostrando que os efeitos das oscilações oticamente induzidas não são uma característica exclusiva dos isolantes topológicos. Além disso, as oscilações das partículas semicondutoras apresentaram um atributo adicional, elas são altamente sensíveis a direção de polarização do laser. Semicondutores ao interagem com o laser podem modificar sua densidade de portadores e consequentemente todas as suas propriedades ópticas. Nós propomos uma generalização do modelo de Ashkin no regime de Rayleigh para contabilizar o efeito da geração de portadores sobre as forças ópticas em partículas semicondutoras. Além disso, nós incluímos o efeito da geração de portadores no modelo efetivo que construímos para interpretar as oscilações nas partículas de isolante topológico. A dependência da polarização foi interpretada como sendo uma consequência da assimetria azimutal do feixe conforme previsto pela teoria de espalhamento Mie. Nós fomos capazes de aprisionar as partículas semicondutoras. As partículas de silício foram aprisionadas no feixe gaussiano quando a altura focal(distância entre o foco e a lamínula) era superior a 43 um. Enquanto que, as partículas de germânio, foram aprisionadas somente quando a armadilha foi modificada e ultilizamos um feixe de Bessel focalizado. No feixe de Bessel as partículas de germânio foram aprisionadas para potências de até 50 mW (medidas na entrada da objetiva), acima de 50 mW a dinâmica oscilatória foi observada, porém, sem a dependência da polarização do feixe. A rigidez da armadilha obtida em ambos os casos foi da ordem de femto-Newton o que habilita o uso das partículas de semicondutores para o estudo onde baixas forças são necessários. Palavras-chave: Pinça óptica. Semicondutores. Osciladores ópticos.