Uma equipe de pesquisa do CIC nanoGUNE, do Centro Internacional de Física Donostilia e do Centro de Física de Materiais observou, pela primeira vez experimentalmente e confirmou teoricamente o fenômeno de "acoplamento ultraforte de banda plana" entre fônons ópticos e polaritons de plasmon de superfície. Esta pesquisa, publicada na *Nature Materials*, revela um novo mecanismo de interação luz-matéria, com aplicações potenciais em nanofotônica e engenharia quântica.

Quando a troca de energia entre luz e matéria atinge um certo nível, elas formam um estado misto, denominado polaron. A equipe de pesquisa alcançou o acoplamento ultraforte ajustando a frequência de ressonância dos polaritons de plasmon de superfície em um substrato semicondutor para corresponder à frequência dos fônons ópticos em uma fina camada de cristal polar depositada acima. Ao contrário dos métodos de acoplamento tradicionais, o estado de polaron misto produzido por esse acoplamento mantém praticamente a mesma energia em uma ampla faixa de vetores de onda, formando uma resposta de "banda plana", em vez de existir apenas em uma região estreita de momento.

O experimento empregou nanoespectroscopia de bomba-sonda: primeiro, pulsos de luz no infravermelho próximo excitaram um substrato de arseneto de índio, gerando elétrons móveis que alteraram sua frequência de ressonância de plasmon de superfície, alinhando-a com a frequência do fônon óptico da camada sobrejacente de carbeto de silício de 50 nanômetros de espessura; em seguida, a nanoimagem por espectroscopia no infravermelho médio foi usada para visualizar o modo híbrido resultante de polaron de plasmon de superfície-polaron de fônon e obter sua relação de dispersão. Os resultados experimentais, juntamente com modelos teóricos, confirmaram a existência desse acoplamento ultraforte de banda plana em uma ampla faixa de momentos.

Essa descoberta pode abrir novos caminhos para o estudo de processos químicos impulsionados por polarons e transições de fase induzidas por forte acoplamento luz-matéria. Alcançar um forte acoplamento em uma ampla faixa de momentos significa a geração simultânea de inúmeros modos híbridos, o que pode ajudar a alterar as barreiras de potencial de reações químicas ou remodelar as propriedades físicas dos materiais.