Spremere la luce in piccoli circuiti e controllarne il flusso elettricamente è un santo graal che è diventato uno scenario realistico grazie alla scoperta del grafene. Questo allettante risultato si realizza sfruttando i cosiddetti plasmoni, in cui gli elettroni e la luce si muovono insieme come un'onda coerente. I plasmoni guidati dal grafene - un foglio bidimensionale di atomi di carbonio - sono notevoli in quanto possono essere confinati a scale di lunghezza di nanometri, fino a duecento volte al di sotto della lunghezza d'onda della luce. Un ostacolo importante fino ad ora è stata la rapida perdita di energia che questi plasmoni sperimentano, limitando l'intervallo entro il quale potrebbero viaggiare.

Questo problema è stato ora risolto, come dimostrato dai ricercatori dell'ICFO (Barcellona), in collaborazione con CIC nanoGUNE (San Sebastian), e CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa), tutti i membri dell'UE Flagship Graphene, e la Columbia University (New York).

Dalla scoperta del grafene, molti altri materiali bidimensionali sono stati isolati in laboratorio. Un esempio è il nitruro di boro, un ottimo isolante. Una combinazione di questi due materiali bidimensionali unici ha fornito la soluzione alla ricerca del controllo della luce in circuiti minuscoli e della soppressione delle perdite. Quando il grafene è incapsulato nel nitruro di boro, gli elettroni possono muoversi balisticamente per lunghe distanze senza scattering, anche a temperatura ambiente. Questa ricerca mostra ora che il sistema di materiale grafene/nitruro di boro è anche un eccellente ospite per la luce estremamente confinata e la soppressione delle perdite di plasmoni.

Il professor Frank Koppens dell'ICFO commenta che "è notevole che facciamo muovere la luce più di 150 volte più lentamente della velocità della luce, e su scale di lunghezza più di 150 volte inferiori alla lunghezza d'onda della luce. In combinazione con la capacità completamente elettrica di controllare circuiti ottici su nanoscala, si possono immaginare opportunità molto interessanti per le applicazioni."

La ricerca, condotto dai dottorandi Achim Woessner (ICFO) e Yuando Gao (Columbia) e dal borsista post-dottorato Mark Lundeberg (ICFO), è solo l'inizio di una serie di scoperte sulle proprietà nano-optoelettroniche di nuove eterostrutture basate sulla combinazione di diversi tipi di materiali bidimensionali. L'eterostruttura del materiale è stata scoperta per la prima volta dai ricercatori della Columbia University. Il prof. James Hone commenta:"Il nitruro di boro ha dimostrato di essere il 'partner' ideale per il grafene, e questa straordinaria combinazione di materiali continua a sorprenderci con le sue eccezionali prestazioni in molti settori".

Il prof. Rainer Hillenbrand di CIC nanoGUNE commenta:"Ora possiamo spremere la luce e allo stesso tempo farla propagare su distanze significative attraverso materiali su nanoscala. In futuro, i plasmoni di grafene a bassa perdita potrebbero rendere l'elaborazione e l'elaborazione del segnale molto più veloci, e il rilevamento ottico più efficiente."

Il team di ricerca ha anche svolto studi teorici. Marco Polini, dal CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa) e IIT Graphene Labs (Genova), elaborò una teoria ed eseguì calcoli insieme ai suoi collaboratori. Spiega che "secondo la teoria, le interazioni tra luce, gli elettroni e il sistema materiale sono ora molto ben compresi, anche a livello completamente microscopico. È molto raro trovare un materiale così pulito e in cui questo livello di comprensione sia possibile".

Questi risultati aprono la strada a circuiti e dispositivi ottici estremamente miniaturizzati che potrebbero essere utili per il rilevamento ottico e/o biologico, elaborazione di informazioni o comunicazioni di dati.