Un equipo internacional de investigadores confinó la luz en un espacio de solo un átomo de ancho. Si bien su trabajo es muy preliminar, podría encontrar una variedad de aplicaciones que incluyen el desarrollo de láseres pequeños pero poderosos y la miniaturización extrema de dispositivos que usan luz para transmitir y procesar información.

Los dispositivos fotónicos que utilizan pulsos de luz para transmitir y procesar información ofrecen importantes ventajas frente a la electrónica convencional. Los pulsos ópticos viajan más rápido a través de las fibras ópticas y sufren pérdidas mucho menores que los pulsos eléctricos enviados a través de cables metálicos, y se pueden enviar múltiples señales por la misma fibra sin interactuar entre sí.

Sin embargo, la miniaturización de componentes para crear dispositivos nanofotónicos sigue siendo un desafío importante. Mientras que se pueden fabricar transistores electrónicos de menos de 10 nm de tamaño, las fibras ópticas son más adecuadas para transmitir luz infrarroja con una longitud de onda de aproximadamente 1550 nm. Normalmente, la luz no se puede confinar en espacios más pequeños que su longitud de onda, por lo que esto pone un límite inferior a la forma en que se pueden fabricar dispositivos fotónicos pequeños.

electrones excitados

Las excitaciones colectivas similares a partículas de electrones en la superficie de un metal, llamadas plasmones de superficie, podrían ofrecer un camino a seguir. Los plasmones en un espacio estrecho entre dos superficies metálicas pueden acoplarse a un fotón de luz para crear un polaritón de plasmón superficial (SPP). Esta es una entidad similar a un fotón que se puede confinar en regiones mucho más pequeñas que la longitud de onda del fotón original. Además, cuando el SPP llega al final de la brecha de confinamiento, el fotón puede volver a emitirse. Otro beneficio del uso de plasmones es que ofrecen nuevas formas de interacción entre fotones y electrones, lo que podría dar lugar a nuevos tipos de dispositivos optoelectrónicos.

Sin embargo, hay límites en cuanto a cuán estrecha puede ser la brecha. Por debajo de unos 15 nm, el campo eléctrico de la luz confinada penetra por debajo de la superficie del metal, provocando oscilaciones de plasma que disipan energía en un proceso llamado amortiguamiento de Landau. Una alternativa es excitar plasmones en grafeno, que tiene solo un átomo de espesor. Sin embargo, esto requería anteriormente modelar el grafeno en nanocintas: "Cuando modelas el grafeno, tienes que grabarlo donde no lo quieres", explica Frank Koppens del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona. "Obtienes bordes ásperos, no cristalinos, y eso afecta la calidad electrónica y óptica".

Koppens y sus colegas en España, Francia, Portugal y EE. UU. ahora han adoptado un enfoque diferente para usar el grafeno. Comienzan con una sola hoja cristalina de grafeno, que cubren con una capa de aislante. Luego agregan una serie periódica de lingotes de oro sobre el aislante. Al hacer brillar un láser infrarrojo en la parte superior de la estructura, los investigadores pudieron excitar los plasmones en el grafeno a través del campo eléctrico en el pequeño espacio entre las barras de oro y la capa de grafeno. Al modelar el entorno externo en lugar del grafeno, dice Koppens, los investigadores podrían eludir perfectamente los efectos de los bordes del grafeno.

Frecuencia plasmática

El equipo experimentó con diferentes espesores de aislante y descubrió que, hasta un espesor de aproximadamente 3 nm, los plasmones permanecían bien confinados en el espacio y no penetraban significativamente en el oro. Incluso cuando la brecha se redujo a una capa atómica de nitruro de boro de solo 0.7 nm de espesor, el campo eléctrico que se filtró en el metal no provocó la amortiguación de Landau. Los investigadores creen que esto se debe a que la frecuencia de resonancia de los plasmones de grafeno es mucho más pequeña que la frecuencia del plasma en el metal, por lo que incluso cuando el campo eléctrico se propaga por el metal, no provoca oscilaciones ni disipa energía.

En el corto plazo, dice Koppens, la investigación podría ofrecer un interés significativo para mejorar las interacciones luz-materia a nanoescala, permitiendo emisores infrarrojos en el chip mucho más potentes y posiblemente láseres infrarrojos. Los investigadores también planean investigar la posibilidad de interconexiones plasmónicas para señales eléctricas: "Ya hemos demostrado que se puede pasar de plasmón a electrón de manera eficiente, pero también queremos demostrar que se puede pasar de electrón a plasmón", dice.

"Este trabajo es muy emocionante para mí porque, idealmente, proporciona un campo de juego sobre cómo podemos transmitir y modular la luz en una estructura de guía de ondas atómicamente delgada", dice el experto en nanofotónica. Nicolás Fang del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que no participó en la investigación. Advierte, sin embargo, que queda mucho trabajo por hacer antes de que se puedan fabricar dispositivos viables.

“Cambio de paradigma masivo”

Experto en grafeno andrea ferrari de la Universidad de Cambridge está de acuerdo: "Si llevamos esto a su implicación más extrema y futurista, entonces estamos abriendo un nuevo campo en el que podría tener optoelectrónica impulsada por la luz a una escala similar a la electrónica: eso sería un cambio de paradigma masivo". en tecnología”, dice. “No digo que mañana o incluso dentro de 20 años vayamos a tener eso, pero incluso si nunca llega a aplicaciones prácticas, el resultado conceptual lo es. Si me hubieras preguntado a mí o a cualquier otra persona hace unos años, todos habrían dicho que esto era completamente imposible”.

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