Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona (ICFO) han logrado confinar y guiar la luz a un espacio de un átomo de grosor, el confinamiento más pequeño posible, gracias a la utilización del grafeno. Los resultados del descubrimiento permite el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos de sólo un nanómetro de espesor para su utilización en multitud de aplicaciones.
La luz puede funcionar como un canal de comunicación ultrarápido, por ejemplo, entre diferentes secciones de un chip de computadora, pero también se puede usar para sensores ultrasensibles o nuevos láseres nanoescala. Es por ello que se está haciendo un gran esfuerzo de investigación para reducir aún más los dispositivos que controla y guían la luz.
El desarrollo de toda esta tecnología nanofotónica depende de la capacidad de confinar la luz a dimensiones espaciales mucho menores que la longitud de onda de la luz misma. El problema con el que se encontraban los investigadores es que un mayor confinamiento siempre vendría a costa de una mayor pérdida de energía. Este paradigma ahora se ha cambiado gracias a la utilización del grafeno.
En el estudio recientemente publicado en SCIENCE, los investigadores del ICFO han podido alcanzar el último nivel de confinamiento de la luz. Es decir, han sido capaces de confinar la luz a un espacio de un átomo de grosor, el confinamiento más pequeño posible.
CONFINANDO LA LUZ GRACIAS AL GRAFENO
El equipo de investigación utilizó pilas de materiales bidimensionales, llamada heteroestructuras, para construir un nuevo dispositivo nano-óptico. Tomaron una capa de grafeno (que actúa como un semimetálico), y apilaron sobre ella una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN) (un aislante), y encima de esto depositaron una serie de varillas metálicas. Usaron el grafeno ya que es un material que les permite guiar la luz en forma de “plasmones”, que son oscilaciones de los electrones, que interactúan fuertemente con la luz.
«Al principio estábamos buscando una nueva forma de excitar los plasmones de grafeno. En el camino, descubrimos que el confinamiento era más fuerte que antes y que las pérdidas adicionales eran mínimas. Así que decidimos ir al límite de un átomo con resultados sorprendentes «, dijo David Alcaraz Iranzo, autor principal del ICFO.
Al enviar la luz infrarroja a través de sus dispositivos, los investigadores observaron cómo los plasmones se propagaban entre el metal y el grafeno. Para 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, pudieron observar que incluso cuando se usaba una monocapa de hBN como espaciador, los plasmones seguían siendo excitados por la luz y podían propagarse libremente mientras estaban confinados a una canal de apenas un átomo de grosor. Se las arreglaron para activar y desactivar esta propagación de plasmones, simplemente aplicando una tensión eléctrica, lo que demuestra el control de la luz guiada en canales de menos de un nanómetro de altura.
Los resultados de este descubrimiento permiten un mundo completamente nuevo de dispositivos optoelectrónicos de solo un nanómetro de grosor, como interruptores ópticos, detectores y sensores ultrapequeños. Debido al cambio de paradigma en el confinamiento del campo óptico, ahora se pueden explorar las interacciones extremas entre la luz y la materia que antes no eran accesibles.
Esta investigación ha sido parcialmente respaldada por el Consejo Europeo de Investigación, el Graphene European Flagship, la Generalitat de Catalunya, la Fundació Cellex y el programa Severo Ochoa Excellence del Gobierno de España. El trabajo fue dirigido por el profesor del ICREA en el ICFO Frank Koppens, y llevado a cabo por Daviz Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret y Johann Osmond del ICFO, y realizado en colaboración con la Universidad de Minho (Portugal) y MIT (EE. UU.).
Créditos portada: Impresión artística de la luz confinada (plasmón) entre el metal y el grafeno, separados por solo un dieléctrico de un átomo de espesor. Crédito de la imagen: ICFO / Fabien Vialla
