La miniaturización ha permitido tecnologías como los teléfonos inteligentes, relojes de salud, sondas médicas y nano-satélites, todo impensable hace un par de décadas. Imagínense que en el transcurso de 60 años, el transistor se ha reducido del tamaño de la palma de la mano a 14 nanómetros de dimensión, 1000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello.

La miniaturización ha llevado la tecnología a una nueva era de circuitos ópticos. Pero en paralelo también ha provocado nuevos desafíos y obstáculos, por ejemplo, controlar y guiar la luz a escala nanométrica. Los investigadores están buscando técnicas para confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los actuales. Los estudios habían encontrado anteriormente que los metales pueden comprimir la luz por debajo de la escala de longitud de onda (límite de difracción).

En ese aspecto, grafeno un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono, que exhibe propiedades ópticas y eléctricas excepcionales, es capaz de guiar la luz en forma de plasmones, que son oscilaciones de electrones que interactúan fuertemente con la luz. Estos plasmones de grafeno tienen la capacidad natural de confinar la luz a espacios muy pequeños. Sin embargo, hasta ahora, solo era posible confinar estos plasmones en una dirección, mientras que la capacidad real de la luz para interactuar con partículas pequeñas como átomos y moléculas reside en el volumen en el que se puede comprimir. Este tipo de confinamiento en las tres dimensiones se considera comúnmente como una cavidad óptica.

En un estudio reciente publicado en Ciencias , Los investigadores del ICFO Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, dirigido por el profesor ICREA en ICFO Frank Koppens, en colaboración con investigadores del MIT, Universidad de Duke, Universidad Paris-Saclay, y Universidad do Minho, han construido un nuevo tipo de cavidad para plasmones de grafeno integrando cubos metálicos de tamaños nanométricos sobre una hoja de grafeno. Su enfoque les permitió realizar la cavidad óptica más pequeña jamás construida para luz infrarroja, basado en estos plasmones.

En su experimento utilizaron nanocubos de plata de 50 nanómetros de tamaño, que se esparcieron al azar en la parte superior de la hoja de grafeno sin un patrón u orientación específicos. Esto permitió que cada nanocubo, junto con el grafeno, para actuar como una sola cavidad. Luego enviaron luz infrarroja a través del dispositivo y observaron cómo los plasmones se propagaban en el espacio entre el nanocubo de metal y el grafeno. siendo comprimido solo a ese volumen muy pequeño.

Itai Epstein, primer autor del estudio, dice, "El principal obstáculo que encontramos en este experimento residió en el hecho de que la longitud de onda de la luz en el rango infrarrojo es muy grande y los cubos son muy pequeños, unas 200 veces más pequeño, por lo que es extremadamente difícil hacer que interactúen entre sí ".

Para superar esto, utilizaron un fenómeno especial:cuando los plasmones de grafeno interactuaban con los nanocubos, pudieron generar una resonancia magnética. Epstein dice:"Una propiedad única de la resonancia magnética es que puede actuar como un tipo de antena que salva la diferencia entre las pequeñas dimensiones del nanocubo y la gran escala de la luz".

Por lo tanto, la resonancia generada mantuvo los plasmones moviéndose entre el cubo y el grafeno en un volumen muy pequeño, que es 10 mil millones de veces más pequeño que el volumen de luz infrarroja regular, algo nunca antes logrado en confinamiento óptico. Es más, pudieron ver que la única cavidad del cubo de grafeno, al interactuar con la luz, actuó como un nuevo tipo de nano-antena que es capaz de dispersar la luz infrarroja de manera muy eficiente.

Los resultados del estudio son extremadamente prometedores para el campo de la detección molecular y biológica. importante para la medicina, biotecnología, inspección de alimentos e incluso seguridad, Dado que este enfoque es capaz de intensificar considerablemente el campo óptico y así detectar materiales moleculares, que suelen responder a la luz infrarroja.

El profesor Koppens dice:"Este logro es de gran importancia porque nos permite ajustar el volumen del modo plasmón para impulsar su interacción con partículas pequeñas, como moléculas o átomos, y ser capaz de detectarlos y estudiarlos. Sabemos que los rangos de infrarrojos y terahercios del espectro óptico proporcionan información valiosa sobre las resonancias vibratorias de las moléculas, abriendo la posibilidad de interactuar y detectar materiales moleculares, así como utilizar esto como una tecnología de detección prometedora ".