Los investigadores han demostrado que un voltaje de CC aplicado a capas de grafeno y nitruro de boro se puede utilizar para controlar la emisión de luz de un átomo cercano. Aquí, el grafeno está representado por una capa superior de color granate; el nitruro de boro está representado por redes de color amarillo verdoso debajo del grafeno; y el átomo está representado por un círculo gris. Una baja concentración de voltaje CC (en azul) permite que la luz se propague dentro del nitruro de boro, formando una guía de ondas estrechamente confinada para señales ópticas. Crédito:Anshuman Kumar Srivastava y Jose Luis Olivares / MIT
Los investigadores han encontrado una manera de acoplar las propiedades de diferentes materiales bidimensionales para proporcionar un grado excepcional de control sobre las ondas de luz. Dicen que esto tiene el potencial de conducir a nuevos tipos de detección de luz, sistemas de gestión térmica, y dispositivos de imágenes de alta resolución.
Los nuevos hallazgos, que utilizan una capa de grafeno de un átomo de espesor depositada sobre una capa 2-D similar de un material llamado nitruro de boro hexagonal (hBN), se publican en la revista. Nano letras . El trabajo es coautor del profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT Nicholas Fang y el estudiante graduado Anshuman Kumar. y sus coautores en T.J. Centro de Investigación Watson, Universidad Politécnica de Hong Kong, y la Universidad de Minnesota.
Aunque los dos materiales son estructuralmente similares, ambos compuestos por conjuntos hexagonales de átomos que forman láminas bidimensionales, cada uno interactúa con la luz de manera muy diferente. Pero los investigadores encontraron que estas interacciones pueden ser complementarias, y se puede acoplar de formas que permitan un gran control sobre el comportamiento de la luz.
El material híbrido bloquea la luz cuando se aplica un voltaje particular al grafeno, permitiendo al mismo tiempo un tipo especial de emisión y propagación, llamado "hiperbolicidad, "cuando se aplica un voltaje diferente, un fenómeno nunca antes visto en los sistemas ópticos, Dice Fang. Una de las consecuencias de este comportamiento inusual es que una hoja de material extremadamente delgada puede interactuar fuertemente con la luz, permitiendo guiar las vigas, canalizado y controlado por voltajes aplicados a la hoja.
"Esto representa una nueva oportunidad para enviar y recibir luz en un espacio muy reducido, "Fang dice, y podría dar lugar a "material óptico único que tiene un gran potencial para interconexiones ópticas". Muchos investigadores ven la interconexión mejorada de componentes ópticos y electrónicos como un camino hacia sistemas de procesamiento de imágenes y computación más eficientes.
Una mayor concentración de carga eléctrica en el grafeno (en rojo) "repele" la luz proveniente del átomo. Crédito:Anshuman Kumar Srivastava y Jose Luis Olivares / MIT
La interacción de la luz con el grafeno produce partículas llamadas plasmones, mientras que la luz que interactúa con hBN produce fonones. Fang y sus colegas descubrieron que cuando los materiales se combinan de cierta manera, los plasmones y fonones pueden acoplarse, produciendo una fuerte resonancia.
Las propiedades del grafeno permiten un control preciso de la luz, mientras que hBN proporciona un confinamiento y una guía de la luz muy fuertes. La combinación de los dos permite crear nuevos "metamateriales" que combinan las ventajas de ambos, dicen los investigadores.
Phaedon Avouris, investigador de IBM y coautor del artículo, dice, "La combinación de estos dos materiales proporciona un sistema único que permite la manipulación de procesos ópticos".
Los materiales combinados crean un sistema sintonizado que se puede ajustar para permitir que se propague la luz solo de ciertas longitudes de onda o direcciones específicas. ellos dicen. "Podemos empezar a seleccionar de forma selectiva algunas frecuencias [para dejar pasar], y rechazar algunos, "Dice Kumar.
Estas propiedades deberían hacer posible, Fang dice:para crear pequeñas guías de ondas ópticas, aproximadamente 20 nanómetros de tamaño, el mismo rango de tamaño que las características más pequeñas que ahora se pueden producir en microchips. Esto podría dar lugar a chips que combinen componentes ópticos y electrónicos en un solo dispositivo, con pérdidas mucho menores que cuando dichos dispositivos se fabrican por separado y luego se interconectan, ellos dicen.
Coautor Tony Low, investigador de IBM y la Universidad de Minnesota, dice, "Nuestro trabajo allana el camino para el uso de heteroestructuras de material 2-D para diseñar nuevas propiedades ópticas bajo demanda".
Otra aplicación potencial, Fang dice:proviene de la capacidad de encender y apagar un haz de luz en la superficie del material; debido a que el material trabaja naturalmente en longitudes de onda del infrarrojo cercano, esto podría permitir nuevas vías para la espectroscopia infrarroja, él dice. "Incluso podría permitir la resolución de una sola molécula, "Fang dice, de biomoléculas colocadas en la superficie del material híbrido.
Sheng Shen, un profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon que no participó en esta investigación, dice, "Este trabajo representa un progreso significativo en la comprensión de las interacciones sintonizables de la luz en el grafeno-hBN". El trabajo es "bastante crítico" para proporcionar la comprensión necesaria para desarrollar dispositivos optoelectrónicos o fotónicos basados en grafeno y hBN. él dice, y "podría proporcionar una guía teórica directa sobre el diseño de este tipo de dispositivos ... Personalmente, estoy muy entusiasmado con este novedoso trabajo teórico".
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
