Exprimir la luz en pequeños circuitos y controlar su flujo eléctricamente es un santo grial que se ha convertido en un escenario realista gracias al descubrimiento del grafeno. Este logro tentador se realiza mediante la explotación de los llamados plasmones, en el que los electrones y la luz se mueven juntos como una onda coherente. Los plasmones guiados por grafeno, una hoja bidimensional de átomos de carbono, son notables, ya que pueden limitarse a escalas de longitud de nanómetros. hasta doscientas veces por debajo de la longitud de onda de la luz. Un obstáculo importante hasta ahora ha sido la rápida pérdida de energía que experimentan estos plasmones, limitando el rango sobre el que podrían viajar.

Este problema ahora se ha resuelto, como demuestran los investigadores del ICFO (Barcelona), en colaboración con CIC nanoGUNE (San Sebastián), y CNR / Scuola Normale Superiore (Pisa), todos los miembros del buque insignia de grafeno de la UE, y Universidad de Columbia (Nueva York).

Desde el descubrimiento del grafeno, muchos otros materiales bidimensionales se han aislado en el laboratorio. Un ejemplo es el nitruro de boro, muy buen aislante. Una combinación de estos dos materiales bidimensionales únicos ha proporcionado la solución a la búsqueda del control de la luz en circuitos diminutos y la supresión de pérdidas. Cuando el grafeno se encapsula en nitruro de boro, los electrones pueden moverse balísticamente durante largas distancias sin dispersarse, incluso a temperatura ambiente. Esta investigación ahora muestra que el sistema de material de grafeno / nitruro de boro también es un excelente anfitrión para la luz extremadamente confinada y la supresión de las pérdidas de plasmón.

El profesor del ICFO Frank Koppens comenta que "es notable que hagamos que la luz se mueva más de 150 veces más lento que la velocidad de la luz, y en escalas de longitud más de 150 veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz. En combinación con la capacidad totalmente eléctrica para controlar circuitos ópticos a nanoescala, uno puede vislumbrar oportunidades muy interesantes para las aplicaciones ".

La investigación, realizado por los estudiantes de doctorado Achim Woessner (ICFO) y Yuando Gao (Columbia) y el becario postdoctoral Mark Lundeberg (ICFO), es solo el comienzo de una serie de descubrimientos sobre propiedades nano-optoelectrónicas de nuevas heteroestructuras basadas en la combinación de diferentes tipos de materiales bidimensionales. La heteroestructura del material fue descubierta por primera vez por investigadores de la Universidad de Columbia. El profesor James Hone comenta:"El nitruro de boro ha demostrado ser el 'socio' ideal para el grafeno, y esta asombrosa combinación de materiales sigue sorprendiéndonos con su excelente desempeño en muchas áreas ".

El profesor Rainer Hillenbrand de CIC nanoGUNE comenta:"Ahora podemos exprimir la luz y al mismo tiempo hacer que se propague a distancias significativas a través de materiales a nanoescala. En el futuro, Los plasmones de grafeno de baja pérdida podrían hacer que el procesamiento y la computación de señales sean mucho más rápidos, y detección óptica más eficiente ".

El equipo de investigación también realizó estudios teóricos. Marco Polini, de CNR / Scuola Normale Superiore (Pisa) y el IIT Graphene Labs (Genova), expuso una teoría y realizó cálculos junto con sus colaboradores. Explica que "según la teoría, las interacciones entre la luz, los electrones y el sistema material ahora se entienden muy bien, incluso a un nivel completamente microscópico. Es muy raro encontrar un material tan limpio y en el que este nivel de comprensión sea posible ”.

Estos hallazgos allanan el camino para circuitos y dispositivos ópticos extremadamente miniaturizados que podrían ser útiles para la detección óptica y / o biológica. procesamiento de información o comunicaciones de datos.