Récord de confinamiento de la luz en un solo átomo

^{Impresión artística de la luz exprimida (plasmón) entre el metal y el grafeno, separados por un átomo de espesor. /ICFO} 

Nuestros ordenadores o smartphones están formados por miles de millones de transistores, un invento clave para la electrónica inventado en los Bell Labs a fines de la década de 1940. El avance de la tecnología ha reducido el tamaño de estos dispositivos de su 1 centímetro inicial a 14 nanómetros, es decir, 1000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello. A la par, también existe una carrera para hacer aún más pequeños los aparatos encargados de controlar y guiar la luz. Ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, España) han alcanzado el confinamiento máximo de la luz, a un espacio de un átomo de grosor en dimensión.

La luz puede funcionar como un canal de comunicación ultrarrápido, por ejemplo, entre diferentes secciones de un chip de computadora, pero también se puede usar para sensores ultrasensibles o nuevos láseres a nanoescala. Estudios previos han 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, este paradigma ha cambiado con la llegada del grafeno.

La nueva investigación, publicada en Science, permite adentrarse en un mundo completamente nuevo de dispositivos opto-electrónicos que puedan tener un grosor de un nanómetro, como interruptores ópticos, detectores y sensores ultra-pequeños. Para su trabajo, el equipo utilizó capas de materiales 2D y construyó un dispositivo nano-óptico completamente nuevo. 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. Después, utilizaron el grafeno, material capaz de guiar la luz en forma de plasmones, que son oscilaciones de los electrones y que confinan la luz al espacio límite de un átomo de grosor.

Una vez montado el dispositivo, enviaron luz infrarroja a través del mismo y observaron cómo los plasmones 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, incluso cuando se usaba una monocapa de hBN como el espaciador, los plasmones seguían siendo excitados por la luz y podían propagarse libremente mientras estaban confinados a un canal de apenas un átomo de grosor. A su vez, simplemente aplicando una tensión eléctrica, lograron activar y desactivar esta propagación de plasmones, demostrando así el control de la luz guiada en canales menores a un nanómetro de altura.

Beatriz de Vera

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma. 

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