Un grup d'investigadors aconsegueix confinar i guiar la llum en un espai d'un sol àtom de gruix

La descoberta obre la porta a la creació de dispositius opto-electrònics, interruptors òptics i sensors ultra-petits

ACN Barcelona.-Investigadors de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), en col·laboració amb el Massachusetts Institute of Technology (MIT) i la universitat portuguesa de Minho, han aconseguit confinar i guiar la llum en un espai d'un àtom de gruix. L'estudi s'ha publicat a la revista 'Science'. Utilitzant l'element anomenat grafè i una estructura a semblança del popular joc de construccions Lego a escala atòmica amb materials 2D, els investigadors han pogut confinar la llum en un espai tan petit i fer-ho sense pèrdues d'energia, un dels grans entrebancs amb què fins ara havien topat aquest tipus d'investigacions. Els responsables del treball afirmen que aquest resultat és "un gran pas" per al desenvolupament de dispositius opto-electrònics, interruptors òptics i sensors ultra-petits.

En aquest sentit, des de l'ICFO es recorda que la cursa per la miniaturització dels elements electrònics ha aconseguit reduir els transistors –peces clau de dispositius com ordinadors, telèfons mòbils o d'altres- des d'un centímetre –la mida dels primers elements d'aquest tipus, desenvolupats els anys 40 del segle XX- fins als 14 nanòmetres actuals, 1.000 vegades més petits que el diàmetre d'un cabell. De manera paral·lela, també s'ha produït una cursa entre científics per aconseguir reduir al màxim els dispositius que controlen i guien la llum, element que pot funcionar com un canal de comunicació "ultraràpid", per exemple, entre diferents seccions d'un xip electrònic, o per a sensors ultrasensibles o nous nano làsers incorporats en xips.Estudis previs han descobert que els metalls poden comprimir la llum per sota de l'escala de longitud d'ona (límit de difracció) de la mateixa, però aquest major confinament vindria acompanyat de pèrdues considerables d'energia. Ara, aquest paradigma ha canviat gràcies a l'ús del grafè.L'equip d'investigadors va utilitzar capes (heteroestructures) de materials 2D i va construir un dispositiu nano-òptic nou, com si fos un Lego a escala atòmica. Van agafar una monocapa de grafè i van dipositar-hi a sobre una monocapa de nitrur de bor hexagonal. A sobre d'aquesta segona capa van aplicar una sèrie de varetes metàl·liques. Van utilitzar grafè perquè aquest material és capaç de guiar la llum en forma de plasmons, que són oscil·lacions dels electrons i que interactuen fortament amb la llum.Després van enviar llum infraroja a través del dispositiu i van observar com els plasmons es propagaven entre el metall i el grafè. Per poder aconseguir l'espai més petit concebible, van decidir reduir al màxim l'espai entre el metall i el grafè per veure si el confinament de la llum seguia sent eficient, és a dir, sense pèrdues d'energia addicionals. I van veure que fins i tot quan es feia servir una monocapa de nitrur de bor com a espaiador, els plasmons seguien sent excitats per la llum i podien propagar-se lliurement mentre estaven confinats al canal d'un àtom de gruix.Aleshores, simplement aplicant una tensió elèctrica van aconseguir activar i desactivar aquesta propagació de plasmons, demostrant així el control de la llum guiada en canals menors a un nanòmetre d'alçada.Els responsables de la investigació afirmen que el "canvi de paradigma" en el confinament del camp òptic permet explorar les interaccions extremes entre la llum i la matèria que abans eren inaccessibles. També s'ha demostrat que l'estructura nanomètrica composta per materials 2D es pot utilitzar per a "una sèrie considerable" de nous dispositius on la llum i els electrons poden manipular-se fins i tot a aquesta escala nanomètrica.El treball ha estat dirigit pel professor de l'Institut Català de Recerca i Estudis Avançats (Icrea) de l'ICFO Frank Koppens i dut a terme per David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret i Johann Osmond de l'ICFO, en col·laboració amb la Universitat de Minho i el MIT.

Enviar