Comprimir la luz

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Los plasmones de grafeno pierden los estribos

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El grafeno, combinado con las enormes capacidades del nitruro de boro, permite el control de la luz en circuitos pequeños con una mínima pérdida de energía.

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Comprimir la luz en circuitos pequeños y controlar su flujo eléctrico es como un santo grial que se ha convertido en un escenario realista y plausible gracias al descubrimiento del grafeno. Este logro tan prometedor es posible mediante el aprovechamiento de los llamados plasmones, en los que los electrones y la luz se mueven conjuntamente como una onda coherente. Los plasmones, guiados por el grafeno –una capa bidimensional de átomos de carbono-, pueden ser limitados a escalas de onda de nanómetros, hasta doscientas veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Sin embargo, un importante obstáculo presente hasta ahora era la rápida pérdida de energía que estos plasmones experimentaban, limitando así el rango en el que podían viajar.

Este problema se ha resuelto, tal y como lo demuestran los investigadores del ICFO (Barcelona) en colaboración con CIC nanoGUNE (San Sebastían) y CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa), todos miembros del EU Graphene Flagship; y la Columbia University (Nueva York).

Desde el descubrimiento del grafeno, muchos otros materiales bidimensionales han sido aislados en el laboratorio. Un ejemplo de estos es el nitruro de boro, un buen aislante. Una combinación de estos dos materiales bidimensionales únicos ha proporcionado la solución a la hora de controlar la luz en pequeños circuitos así como la supresión de pérdidas de energía. Cuando el grafeno se encapsula con nitruro de boro, los electrones pueden viajar, enérgicamente, largas distancias sin dispersiones, incluso a temperatura ambiente. Esta investigación demuestra ahora que el material grafeno/nitruro de boro es también un excelente anfitrión para una luz fuertemente confinada así como la supresión de pérdida de plasmones.

[blocktext align=”left”]”Uno puede imaginar oportunidades muy alentadoras para futuras aplicaciones”, comenta Koppens 

El Profesor del ICFO Frank Koppens comenta que “es remarcable que podamos manipular la luz 150 veces más lentamente que la propia velocidad de la luz y a escalas de onda 150 veces inferiores que la longitud de onda de la luz. En combinación con todas las capacidades eléctricas existentes para controlar circuitos ópticos a nanoescala, uno puede imaginar oportunidades muy alentadoras para futuras aplicaciones”.

La investigación, llevada a cabo por el estudiante de doctorado Achim Woessner (ICFO), Yuando Gao (Columbia) y el investigador postdoctoral Mark Lundeberg (ICFO), es solo el comienzo de una serie de descubrimientos sobre las propiedades nano-optoelectrónicas de una nueva hetero-estructura que fue descubierta anteriormente por la Columbia University. El Profesor James Hone declara: “El nitruro de boro ha mostrado ser el colaborador ideal para el grafeno y esta maravillosa combinación de materiales continúa sorprendiéndonos con sus extraordinarios potenciales en muchas áreas”.

El Profesor Rainer Hillenbrand del CIC nanoGUNE comenta: “Ahora podemos comprimir la luz y al mismo tiempo propagarla a distancias considerables a través de nano materiales. En el futuro, gracias a las insignificantes pérdidas de plasmones, se podría conseguir que el procesamiento de señal y computacional sea mucho más rápido, con una sensibilidad óptica más eficiente”.

Por otra parte, el grupo de investigación también llevó a cabo estudios teóricos. Marco Polini, del CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa) y el IIT Graphene Labs (Genova), formuló la teoría y realizó los cálculos pertinentes conjuntamente con sus colaboradores. Explica que “de acuerdo con la teoría, las interacciones entre luz, electrones y el sistema de materiales se pueden comprender, incluso al nivel microscópico. Es muy extraño encontrar un material tan limpio sobre el cual hayamos sido capaces de comprender a tal nivel”.

Estos descubrimientos abren el camino para circuitos ópticos extremadamente miniaturizados y dispositivos que puedan ser útiles para la detección biológica, el procesado de información o la comunicación de datos.

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