El grafeno permite confinar la luz en la cavidad más pequeña construida hasta ahora

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Ilustración artística de la luz comprimida debajo de los nano cubos de plata colocados al azar sobre la hetero-estructura basada en grafeno. Imagen de: Matteo Ceccanti.

Un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la UPC–, el MIT, la Duke University, la Université Paris-Saclay y la Universidade do Minho han conseguido construir las cavidades más pequeñas que se hayan conseguido hasta ahora para la luz infrarroja utilizando grafeno y cubos metálicos de tamaños nanométricos. El estudio ha sido publicado en la revista 'Science'.

17/06/2020

La miniaturización ha dado lugar a la materialización de sueños inimaginables. La reducción en tamaño de los circuitos electrónicos nos ha permitido acceder a tecnologías, como los smartphones, relojes inteligentes de salud, sondas médicas o incluso nano satélites, impensables hace un par de décadas. Solo hay que ver como, en el transcurso de 60 años, el transistor ha pasado de ser del tamaño de la palma de la mano, a tener una dimensión de 14 nanómetros de dimensión, unas 1000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.

También ha abierto la tecnología a una nueva era de circuitos ópticos y, en paralelo, ha dado lugar a nuevos desafíos y obstáculos a superar, por ejemplo, sobre cómo lidiar con el control y el guiado de luz a escala nanométrica. Nuevas técnicas han ido apareciendo, las cuales buscan formas de confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los conseguidos hasta ahora. Anteriormente, científicos ya habían descubierto que los metales pueden comprimir la luz por debajo de la escala de su longitud de onda (límite de difracción).

En ese aspecto, el grafeno, un material compuesto de una sola capa de átomos de carbono con 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 limitar la luz a espacios muy pequeños. Hasta ahora solo era posible confinar los plasmones de grafeno 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 la puede comprimir o confinar la misma. Este tipo de confinamiento en las tres dimensiones se conoce comúnmente como una cavidad óptica.

En un estudio reciente publicado en Science, los investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) –instituto universitario de investigación adscrito a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, dirigidos por el profesor ICREA en el ICFO Frank Koppens, en colaboración con investigadores del MIT, Duke University, Université Paris-Saclay y la Universidad do Minho, han logrado construir un nuevo tipo de cavidad para plasmones de grafeno, depositando nanocubos metálicos (de tamaños nanométricos) sobre una lámina de grafeno. Esta técnica ha permitido conseguir la cavidad óptica más pequeña jamás construida hasta ahora para luz infrarroja, basada en plasmones de grafeno.

En su experimento, los científicos utilizaron cubos de plata del tamaño de 50 nanómetros (nano cubo), que se depositaron de manera aleatoria sobre la lámina de grafeno, sin un patrón u orientación específicos. Esto permitió que cada nano cubo, junto con el grafeno, actuara como una sola cavidad. Luego, enviaron luz infrarroja a través del dispositivo y observaron cómo los plasmones se propagaban en el espacio entre el nano cubo metálico y el grafeno, comprimiéndose solo a ese volumen muy pequeño.

Como comenta Itai Epstein, primer autor del estudio, “el principal obstáculo que encontramos en este experimento residía 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, aproximadamente 200 veces más pequeños, así que es extremadamente difícil hacer que interactúen entre ellos".

Para superar este inconveniente, los investigadores utilizaron un fenómeno especial: cuando los plasmones de grafeno interactuaban con los nano cubos, generaban una resonancia especial llamada resonancia magnética. Como aclara Epstein, "una propiedad única de la resonancia magnética es que puede actuar como un tipo de antena que hace de nexo conector entre las pequeñas dimensiones del nanocubo y la gran longitud de onda de la luz". Por lo tanto, la resonancia generada mantuvo los plasmones moviéndose entre el cubo y el grafeno en un volumen muy pequeño, el cual es diez mil millones de veces más pequeño que el volumen de la luz infrarroja regular, algo nunca antes logrado en temas de confinamiento óptico. Además, pudieron ver que cada cavidad nano cubo-grafeno, cuando interactuaba con la luz, actuaba como un nuevo tipo de nano antena que podía 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, la biotecnología, la inspección de alimentos o incluso la seguridad, ya que la técnica es capaz de intensificar el campo óptico considerablemente y, por lo tanto, detectar materiales moleculares, que generalmente responden a luz infrarroja.

Como afirma el profesor Koppens, “este logro es de gran importancia porque nos permite ajustar el volumen del modo plasmónico para impulsar su interacción con partículas pequeñas, como moléculas o átomos, y poder detectarlas y estudiarlas. Sabemos que los rangos de luz infrarroja y de Terahertz del espectro óptico proporcionan información valiosa sobre las resonancias vibracionales de las moléculas, lo que abre la posibilidad de interactuar y detectar materiales moleculares, así como utilizar esta técnica como una tecnología de detección prometedora”.