Todos los dispositivos electrónicos constan de miles de millones de transistores, el bloque de construcción clave inventado en Bell Labs a fines de la década de 1940. Los primeros transistores eran tan grandes como un centímetro, pero ahora miden unos 14 nanómetros. También ha habido una carrera para reducir aún más los dispositivos que controlan y guían la luz. La luz puede funcionar como un canal de comunicación ultrarrápido, por ejemplo, entre diferentes secciones de un chip de computadora, pero también se puede utilizar para sensores ultrasensibles o novedosos láseres a nanoescala en chip.

Han surgido nuevas técnicas para confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los actuales. Los investigadores encontraron anteriormente que los metales pueden comprimir la luz por debajo de la escala de longitud de onda (límite de difracción), pero más confinamiento siempre vendría a costa de más pérdidas de energía. Este paradigma ahora se ha modificado mediante el uso de grafeno.

En un estudio reciente publicado en Ciencias , Los investigadores del ICFO ahora han confinado la luz a un espacio de un átomo de espesor en dimensión, el menor confinamiento posible. El trabajo fue dirigido por ICREA Prof en ICFO Frank Koppens y realizado por David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret, y Johann Osmond de ICFO, y realizado en colaboración con la Universidad de Minho (Portugal) y el MIT (EE. UU.).

El equipo de investigadores utilizó pilas (heteroestructuras) de materiales 2-D, y construyó un dispositivo nanoóptico completamente nuevo, como si fuera Lego a escala atómica. Tomaron una monocapa de grafeno (semi-metal), y apilado sobre él una monocapa hexagonal de nitruro de boro (hBN) (aislante), y encima de esto depositó una serie de varillas metálicas. Usaron grafeno porque este material es capaz de guiar la luz en forma de "plasmones", que son oscilaciones de los electrones, interactuando fuertemente con la luz.

Enviaron luz infrarroja a través de sus dispositivos y observaron cómo los plasmones se propagaban entre el metal y el grafeno. Para llegar al espacio más pequeño imaginable, decidieron reducir lo más posible la brecha entre el metal y el grafeno para ver si el confinamiento de la luz seguía siendo eficiente, p.ej. sin pérdidas de energía adicionales. Sorprendentemente, vieron que incluso cuando se usaba una monocapa de hBN como espaciador, los plasmones todavía estaban excitados por la luz, y podría propagarse libremente mientras está confinado a un canal de apenas un átomo de espesor. Se las arreglaron para activar y desactivar esta propagación de plasmones, simplemente aplicando un voltaje eléctrico, demostrando el control de la luz guiada en canales menores a un nanómetro de altura.

Los resultados de este descubrimiento permiten un mundo completamente nuevo de dispositivos optoelectrónicos que tienen solo un nanómetro de espesor. como interruptores ópticos ultrapequeños, detectores y sensores. Debido al cambio de paradigma en el confinamiento del campo óptico, Ahora se pueden explorar interacciones extremas de luz-materia que antes no eran accesibles. Lo que es realmente emocionante es que la caja de herramientas lego a escala de átomo de materiales 2-D ahora también ha demostrado ser aplicable para muchos tipos de dispositivos de materiales completamente nuevos donde tanto la luz como los electrones se pueden controlar incluso hasta la escala de un nanómetro.