Investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona han logrado confinar y guiar la luz en un espacio de tan sólo un átomo de grosor, gracias a utilizar grafeno y materiales de dos dimensiones para construir una especie de lego a escala atómica capaz de canalizar la luz.
Para su trabajo, que publica hoy la revista 'Science', el ICFO ha contado con la colaboración del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Universidad de Minho (Portugal).
Para entender la importancia de este confinamiento máximo de la luz en tan poco espacio, es necesario recordar que todos los dispositivos electrónicos -ordenadores, smartphones, etc.- están compuestos por miles de millones de transistores, un elemento esencial para la electrónica que fue inventado por los laboratorios Bell a finales de los años 40.
El primer transistor medía aproximadamente 1 centímetro, pero gracias al avance de la tecnología, ha llegado a reducirse a un tamaño de 14 nanómetros, es decir, 1.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello.
A su vez, los científicos compiten por conseguir reducir al máximo los dispositivos que controlan y guían la luz, ya que esta puede funcionar como un canal de comunicación ultrarrápido, por ejemplo, entre diferentes secciones de un chip electrónico, o para sensores ultrasensibles o nuevos nano láseres incorporados en chips.
Actualmente, están desarrollando nuevas técnicas con el objetivo de buscar formas de confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los actuales.
Estudios previos ya habían descubierto que los metales pueden comprimir la luz por debajo de la escala de longitud de onda (límite de difracción) de la misma, pero este mayor confinamiento vendría acompañado de pérdidas considerables de energía.
Sin embargo, según los investigadores del ICFO, este paradigma ahora ha cambiado gracias al uso del grafeno, con el que los científicos del ICFO han podido alcanzar el confinamiento más pequeño posible de la luz.
El trabajo ha sido dirigido por el profesor del ICFO Frank Koppens y llevado a cabo por David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret y Johann Osmond.
El equipo de investigadores utilizó capas (heteroestructuras) de materiales 2D y construyó un dispositivo nano-óptico completamente nuevo, como si fuera un lego a escala atómica.
Tomaron una monocapa de grafeno (semimetal), y depositaron sobre ella una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN) (aislante), y encima de esta depositaron una serie de varillas metálicas.
Una vez montado el dispositivo, enviaron luz infrarroja a través del mismo y observaron cómo se propagaban entre el metal y el grafeno.
Para poder alcanzar el espacio más pequeño concebible, decidieron reducir al máximo el espacio entre el metal y el grafeno para ver si el confinamiento de la luz seguía siendo eficiente, es decir, sin pérdidas de energía adicionales.
Sorprendentemente, vieron que la luz seguía propagándose libremente mientras estaban confinados a un canal de apenas un átomo de grosor y que simplemente aplicando una tensión eléctrica, activaban y desactivaban esta propagación.
Según los investigadores, los resultados de este descubrimiento abren un campo completamente nuevo de dispositivos opto-electrónicos que puedan tener un grosor de un nanómetro, como interruptores ópticos, detectores y sensores ultra-pequeños.
Además, este cambio de paradigma en el confinamiento del campo óptico permite explorar interacciones extremas entre la luz y la materia que antes no eran posibles.
