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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2020.tde-05022020-181327
Document
Author
Full name
Eduardo Sell Gonçalves
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Figueiredo Neto, Antonio Martins (President)
Campos, Alex Fabiano Cortez
Misoguti, Lino
Nussenzveig, Paulo Alberto
Samad, Ricardo Elgul
Title in Portuguese
Propriedades ópticas não lineares de segunda e terceira ordem de coloides magnéticos
Keywords in Portuguese
absorção de dois fótons
espalhamento hiper Rayleigh
Ferrofluidos
hiperpolarizabilidade
varredura-Z
Abstract in Portuguese
Nesse trabalho foram estudadas propriedades ópticas não lineares de segunda e terceira ordens de nanopartículas magnéticas monocristalinas, dispersas em solução coloidal. Foram investigadas soluções comerciais de partículas baseadas em magnetita, Fe3O4, bem como formadas por ferrite de manganês e zinco, Mn0,5Zn0,5Fe2O4, sintetizadas no Instituto de Física da Universidade de São Paulo em colaboração com pesquisadores da Charotar University of Science and Technology, Índia. Nesse caso, em soluções compostas por nanopartículas com formatos esféricos ou cúbicos. Propriedades não lineares de segunda ordem das nanopartículas foram estudadas por meio da técnica de espalhamento hiper Rayleigh, a fim de determinar a hiperpolarizabilidade de primeira ordem. Para a caracterização de propriedades não lineares de terceira ordem, a absorção de dois fótons foi medida por meio da técnica de varredura-Z na configuração aberta. Ademais, as propriedades ópticas lineares foram caracterizadas por espectroscopia linear de transmissão, no intervalo de radiação que abrange do infravermelho próximo ao ultravioleta. Durante os experimentos, campos magnéticos com magnitudes entre 0 Oe e 3100 Oe foram aplicados sobre as amostras. Os experimentos foram realizados com a polarização do feixe incidente na mesma direção das linhas do campo magnético, denominada configuração paralela, e no caso em que as direções da polarização e do campo magnético eram ortogonais, denominada configuração perpendicular. Características estruturais das nanopartículas, assim como sua organização na presença de campo magnético, foram estudadas por meio de medidas de espalhamento de raios X a baixos ângulos. Por meio dos experimentos de espalhamento hiper Rayleigh foi verificado que, para todas as partículas, medidas realizadas com o campo magnético aplicado paralelamente à polarização do laser resultaram em um aumento do valor da hiperpolarizabilidade. Em medidas com o campo aplicado na direção perpendicular, uma diminuição sistemática dos valores medidos foi observada. A seção de choque de absorção de dois fótons seguiu a mesma tendência, aumentando para medidas na configuração paralela e sendo reduzida em medidas no caso perpendicular. Como as nanopartículas estão no estado superparamagnético e livres para girar na solução, a presença do campo induz a orientação das partículas, alinhando o eixo de fácil magnetização de cada nanopartícula ao campo externo. Assim, houve o alinhamento de planos cristalográficos do material. Portanto, medidas na configuração paralela resultam em valores das não linearidades estimuladas nessa direção, enquanto na configuração perpendicular, à média das projeções sobre as outras duas direções ortogonais. Por fim, na ausência de campo magnético, o resultado corresponde à media de todas as orientações.
Title in English
Second and third order nonlinear optical properties of magnetic colloids
Keywords in English
Ferrofluids
hyper-Rayleigh scattering
hyperpolarizability
two-photon absorption
Z-scan
Abstract in English
In this work, second and third order nonlinear optical properties of monocrystalline magnetic nanoparticles in colloidal dispersions were studied. Commercial solutions of magnetite-based particles Fe3O4 as well as manganese-zinc ferrite nanoparticles Mn0.5Zn0.5Fe2O4, synthesized at the Institute of Physics, University of São Paulo in collaboration with researchers at Charotar University of Science and Technology, India, were investigated. In the latter case, solutions were composed of spherical or cubic nanoparticles. Second order nonlinear properties were studied using the hyper-Rayleigh scattering technique to determine first order hyperpolarizability. For the characterization of third order nonlinear optical properties, the absorption of two photons was measured using the Z-scan technique in the open-aperture configuration. In addition, linear optical properties were characterized by linear transmittance spectroscopy, in the range that extends from infrared to near ultraviolet. During the experiments, magnetic fields with magnitudes between 0 Oe and 3100 Oe were applied to the samples. The experiments were performed with the polarization state of the incident beam in the same direction as the magnetic field lines, herein called parallel configuration, and in the case where the polarization and magnetic field directions were orthogonal, the perpendicular configuration. Structural characteristics of nanoparticles, as well as their organization in the presence of magnetic field, were studied by small angle X-rays scattering measurements. By means of the hyper-Rayleigh scattering experiments it was verified that, for all particles, measurements made with the magnetic field applied parallel to the laser polarization resulted in an increase of the hyperpolarizability. In measurements with the field applied in the perpendicular direction, a systematic decrease of the measured values was observed. The two-photon absorption cross-section followed the same trend, increasing for measurements in the parallel configuration and being reduced in measurements in the perpendicular case. Since the nanoparticles are in the superparamagnetic state and free to rotate within the solution, the presence of magnetic field induces the orientation of the particles, aligning the axis of easy magnetization of each particle to the external field. Thus, there was the alignment of crystallographic planes of the material. Therefore, measurements in the parallel configuration result in values of nonlinearities stimulated in that direction, while in the perpendicular configuration, the average of the projections on the other two orthogonal directions were measured. Finally, in the absence of magnetic field, the result corresponds to the average over all possible orientations.
 
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ESGoncalves_Tese.pdf (4.49 Mbytes)
Publishing Date
2020-02-05
 
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