La capacidad de controlar ondas infrarrojas y de terahercios mediante campos magnéticos o eléctricos es uno de los grandes retos de la física que podría revolucionar la optoelectrónica. telecomunicaciones y diagnósticos médicos. Una teoría de 2006 predice que debería ser posible utilizar grafeno, una capa monoatómica de átomos de carbono, en un campo magnético no solo para absorber terahercios y luz infrarroja a demanda, sino también para controlar la dirección de la polarización circular. Investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), Suiza, y la Universidad de Manchester han logrado probar esta teoría y han logrado los resultados previstos. El estudio, para ser publicado en la revista Nanotecnología de la naturaleza , muestra que los científicos encontraron una forma eficiente de controlar las ondas infrarrojas y de terahercios. También muestra que el grafeno está cumpliendo sus promesas iniciales, y se abre camino como material del futuro, ya sea en la tierra o en el espacio.

"Existe una clase de los llamados materiales de Dirac, donde los electrones se comportan como si no tuvieran masa, similar a las partículas de luz, los fotones, "explica Alexey Kuzmenko, investigador del Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Facultad de Ciencias de UNIGE, quien realizó esta investigación junto con Ievgeniia Nedoliuk. Uno de esos materiales de Dirac es el grafeno, una monocapa de átomos de carbono dispuestos en estructura de panal, relacionado con el grafito utilizado para hacer lápices.

La interacción entre el grafeno y la luz sugiere que este material podría usarse para controlar las ondas infrarrojas y de terahercios. "Eso sería un gran paso adelante para la optoelectrónica, seguridad, telecomunicaciones y diagnóstico médico, ", señala el investigador residente en Ginebra.

Respaldar una vieja teoría a través de la experimentación

Una predicción teórica de 2006 postuló que si un material de Dirac se coloca en un campo magnético, producirá una resonancia de ciclotrón muy fuerte. "Cuando una partícula cargada está en el campo magnético, se mueve en una órbita circular y absorbe la energía electromagnética en la órbita, o ciclotrón, frecuencia, como por ejemplo, sucede en el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, "explica Alexey Kuzmenko." Y cuando las partículas tienen carga pero no masa, como electrones en el grafeno, ¡la absorción de luz está al máximo! "

Para demostrar esta máxima absorción, los físicos necesitaban un grafeno muy puro para que los electrones que viajaban largas distancias no se dispersaran sobre las impurezas o los defectos del cristal. Pero este nivel de pureza y orden de celosía son muy difíciles de obtener y solo se logran cuando el grafeno se encapsula en otro material bidimensional:el nitruro de boro.

Los investigadores de UNIGE se unieron al grupo de la Universidad de Manchester dirigido por André Geim, ganador del Premio Nobel de Física de 2010 por descubrir el grafeno, para desarrollar muestras de grafeno extremadamente puro. Estas muestras, que eran excepcionalmente grandes para este tipo de grafeno, Sin embargo, eran demasiado pequeños para cuantificar la resonancia del ciclotrón con técnicas bien establecidas. Esta es la razón por la que los investigadores de Ginebra construyeron una configuración experimental especial para concentrar la radiación infrarroja y de terahercios en pequeñas muestras de grafeno puro en el campo magnético. "¡Y el resultado del experimento confirmó la teoría de 2006!" añade Alexey Kuzmenko.

Polarización controlada a medida

Los resultados demostraron por primera vez que efectivamente se produce un efecto magnetoóptico colosal si se utiliza una capa de grafeno puro. "La máxima magnetoabsorción posible de la luz infrarroja se logra ahora en una capa monoatómica, "dice Kuzmenko.

Además, los físicos descubrieron que era posible elegir qué polarización circular, izquierda o derecha, debía absorberse. "El grafeno natural o intrínseco es eléctricamente neutro y absorbe toda la luz, independientemente de su polarización. Pero si introducimos portadores cargados eléctricamente, ya sea positivo o negativo, podemos elegir qué polarización se absorbe, y esto funciona tanto en los rangos de infrarrojos como de terahercios, "continúa el científico. Esta habilidad juega un papel crucial, especialmente en la farmacia, donde ciertas moléculas clave del fármaco interactúan con la luz dependiendo de la dirección de polarización. Curiosamente, este control se considera prometedor para la búsqueda de vida en exoplanetas, ya que es posible observar las firmas de la quiralidad molecular inherente a la materia biológica.

Finalmente, los físicos encontraron que para observar un efecto fuerte en el rango de terahercios, es suficiente aplicar campos magnéticos, que ya podría ser generado por imanes permanentes económicos. Ahora que la teoría ha sido confirmada, los investigadores continuarán trabajando en fuentes y detectores magnéticos de terahercios e infrarrojos. El grafeno sigue sorprendiéndolos.