Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas y otros centros internacionales han conseguido confinar y guiar la luz en un espacio de tan solo un átomo de grosor. El grafeno y otros materiales 2D han sido las piezas clave para fabricar a escala atómica este 'lego' capaz de canalizar la luz.
Todos los dispositivos electrónicos que utilizamos a diario, como los ordenadores y smartphones, están compuestos por miles de millones de transistores, un elemento clave y esencial para la electrónica inventado por los laboratorios Bell a finales de los años 40. El primer transistor medía aproximadamente un centímetro, pero gracias al avance de la tecnología, ha llegado a reducirse a un tamaño asombroso de 14 nanómetros, es decir, 1000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello.
En paralelo también se ha producido una carrera entre científicos para conseguir reducir al máximo los dispositivos que controlan y guían la luz, ya que esta puede funcionar como un canal de comunicación ultrarrápido, por ejemplo, entre diferentes secciones de un chip electrónico, o para sensores ultrasensibles o nuevos nanoláseres incorporados en chips.
Actualmente, se están desarrollando nuevas técnicas con el objetivo de buscar formas de confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los actuales. Estudios previos ya han mostrado que los metales pueden comprimir la luz por debajo de su escala de longitud de onda (límite de difracción), pero este mayor confinamiento viene acompañado de pérdidas considerables de energía.
Sin embargo, este paradigma ha cambiado gracias al uso del grafeno, y ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) han podido alcanzar el confinamiento máximo de la luz con la ayuda de este novedoso material. Han sido capaces de confinar la luz a un espacio de un átomo de grosor en dimensión, el confinamiento más pequeño posible. El trabajo ha sido dirigido por el profesor ICREA Frank Koppens y su equipo del ICFO, en colaboración con la Universidad del Miño (Portugal) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en EE UU).
El equipo utilizó capas de materiales 2D y construyó un dispositivo nanoóptico completamente nuevo, como si fuera un lego a escala atómica. Tomaron una monocapa de grafeno y depositaron sobre ella otra de nitruro de boro hexagonal (hBN, que actúa de aislante), y encima de esta depositaron una serie de varillas metálicas. Se usó grafeno porque este material es capaz de guiar la luz en forma de plasmones, oscilaciones de electrones que interactúan fuertemente con la luz.
Una vez montado el dispositivo, enviaron luz infrarroja a través del mismo y observaron cómo los plasmones se propagaban entre el metal y el grafeno. Para poder alcanzar el espacio más pequeño concebible, decidieron reducir al máximo el espacio entre el metal y el grafeno para ver si el confinamiento de la luz seguía siendo eficiente, es decir, sin pérdidas de energía adicionales.
Sorprendentemente, vieron que incluso cuando se usaba una monocapa de hBN como el espaciador, los plasmones seguían siendo excitados por la luz y podían propagarse libremente mientras estaban confinados a un canal de apenas un átomo de grosor. A su vez, simplemente aplicando una tensión eléctrica, lograron activar y desactivar esta propagación de plasmones, demostrando así el control de la luz guiada en canales menores a un nanómetro de altura.
Un cambio de paradigma con diversas aplicaciones
Los resultados de este descubrimiento permiten adentrarnos un mundo completamente nuevo de dispositivos optoelectrónicos que puedan tener un grosor de un nanómetro, como interruptores ópticos, detectores y sensores ultrapequeños.
Este cambio de paradigma en el confinamiento del campo óptico permite explorar las interacciones extremas entre la luz y la materia que antes no eran posibles. Lo que es realmente emocionante es que también se ha demostrado que este kit-de-lego a escala nanométrica compuesta por materiales 2d se puede utilizar para una serie enorme de nuevos dispositivos donde la luz y los electrones pueden manipularse incluso a esta escala nanométrica.
Esta investigación ha sido parcialmente financiada por el Consejo Europeo de Investigación (ERC), el megaproyecto Graphene Flagship, la Generalitat de Catalunya, la Fundació Cellex y el programa Severo Ochoa Excellence del Gobierno de España.
Referencia bibliográfica:
David Alcaraz Iranzo, Sebastien Nanot, Eduardo J. C. Dias, Itai Epstein, Cheng Peng, Dmitri K. Efetov, Mark B. Lundeberg, Romain Parret, Johann Osmond, Jin-Yong Hong, Jing Kong, Dirk R. Englund, Nuno M. R. Peres, Frank H.L. Koppens. “Probing the Ultimate Plasmon Confinement Limits with a van der Waals heterostructure”. Science, 108. DOI :10.1126/science.aar8438
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