image: This is an artistic impression of the squeezed light (plasmon) in between the metal and graphene, separated by just one a one-atom thick dielectric. view more
Credit: ICFO
Todos los dispositivos electrónicos que utilizamos a diario -ordenadores, smartphones, etc.- están compuestos por miles de millones de transistores, el elemento clave y esencial para su funcionamiento, inventado por los laboratorios Bell a finales de los 40s. El primer transistor medía aproximadamente 1 cm, 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. A su vez, también se ha producido una carrera entre tecnólogos 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 nano láseres 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 han descubierto que los metales pueden comprimir la luz por debajo de la escala de longitud de onda (límite de difracción) de la misma, pero este mayor confinamiento vendría acompañado de pérdidas considerables de energía. Pues, este paradigma ahora ha cambiado gracias al uso del grafeno.
En un estudio reciente publicado en Science, investigadores del ICFO han podido alcanzar el confinamiento máximo de la luz. 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 Prof ICREA en el ICFO Frank Koppens y llevado a cabo por David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret y Johann Osmond del ICFO, en colaboración con la Universidad de Minho (Portugal) y MIT (EE. UU.).
El equipo de investigadores utilizó capas (heteroestructuras) de materiales 2D y construyó un dispositivo nano-óptico completamente nuevo, como si fuera un lego a escala atómica. Tomaron una monocapa de grafeno (semimetal), y depositaron sobre ella una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN) (aislante), y encima de esta depositaron una serie de varillas metálicas. Utilizaron grafeno porque este material es capaz de guiar la luz en forma de "plasmones", los cuales son oscilaciones de los electrones y 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.
Los resultados de este descubrimiento permiten adentrarnos un mundo completamente nuevo de dispositivos opto-electrónicos que puedan tener un grosor de un nanómetro, como interruptores ópticos, detectores y sensores ultra-pequeños. 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 Graphene Flagship, la Generalitat de Catalunya, la Fundació Cellex y el programa Severo Ochoa Excellence del Gobierno de España.
REFERENCIA
"Probing the Ultimate Plasmon Confinement Limits with a van der Waals heterostructure" 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, Science, DOI 10.1126/science.aar8438 (2018)
ENLACES
Enlace al grupo de investigación del Prof. ICREA en el ICFO Frank Koppens: https://www.icfo.es/research/groups-details?group_id=31
Enlace a Graphene @ ICFO: http://graphene.icfo.eu/
SOBRE EL ICFO
El ICFO - Instituto de Ciencias Fotónicas, miembro del Barcelona Institute of Science and Technology, es un centro de investigación alojado en un edificio de 14.000 m2, diseñados específicamente para su labor, situado dentro del Parque Mediterráneo de la Tecnología en el área metropolitana de Barcelona. Actualmente alberga 400 personas, organizados en 26 grupos de investigación y 60 laboratorios de última generación con los más novedosos avances experimentales, apoyados por instalaciones de primer nivel en nanofabricación, caracterización, imagen e ingeniería. La distinción Severo Ochoa, otorgada por el Ministerio de Ciencia e Innovación; 15 cátedras de profesor de ICREA, 30 becas del European Research Council, 6 Nest Fellowships de la Fundació Cellex Barcelona y la presencia de forma constante en las primeras posiciones en rankings mudiales que miden la excelencia de investigación, demuestran la dedicación del centro a la investigación más exigente. Desde el punto de vista industrial, ICFO participa activamente en la plataforma tecnológica europea Photonics21 y es también proactivo en fomentar la actividad emprendedora así como la creación de spin-offs. El centro participa en actividades de incubación y busca atraer inversión de capital de riesgo. ICFO acoge el Corporate Liaison Program, que aspira a crear colaboraciones y contactos entre la industria y los investigadores de ICFO. Hasta la fecha, ICFO ha ayudado a crear 6 start-ups exitosas.
Journal
Science