Tutti i dispositivi elettronici sono costituiti da miliardi di transistor, l'elemento chiave inventato nei Bell Labs alla fine degli anni '40. I primi transistor erano grandi quanto un centimetro, ma ora misura circa 14 nanometri. C'è stata anche una corsa per ridurre ulteriormente i dispositivi che controllano e guidano la luce. La luce può fungere da canale di comunicazione ultraveloce, Per esempio, tra le diverse sezioni di un chip di computer, ma può anche essere utilizzato per sensori ultrasensibili o nuovi laser su nanoscala su chip.

Sono emerse nuove tecniche per confinare la luce in spazi estremamente piccoli, milioni di volte più piccole di quelle attuali. I ricercatori hanno precedentemente scoperto che i metalli possono comprimere la luce al di sotto della scala della lunghezza d'onda (limite di diffrazione), ma più confinamento verrebbe sempre al costo di maggiori perdite di energia. Questo paradigma è stato ora spostato utilizzando il grafene.

In un recente studio pubblicato su Scienza , I ricercatori dell'ICFO hanno ora confinato la luce in uno spazio di dimensioni spesse un atomo, il minor confinamento possibile. Il lavoro è stato guidato da ICREA Prof presso ICFO Frank Koppens e portato avanti da David Alcaraz, Sebastian Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret, e Johann Osmond dell'ICFO, ed eseguito in collaborazione con l'Università del Minho (Portogallo) e il MIT (USA).

Il team di ricercatori ha utilizzato pile (eterostrutture) di materiali 2-D, e costruito un dispositivo nano-ottico completamente nuovo, come se fosse un Lego in scala atomica. Hanno preso un monostrato di grafene (semimetallo), e impilato su di esso un monostrato (isolante) di nitruro di boro esagonale (hBN), e in cima a questo depositato una serie di barre metalliche. Hanno usato il grafene perché questo materiale è in grado di guidare la luce sotto forma di "plasmoni", che sono oscillazioni degli elettroni, interagendo fortemente con la luce.

Hanno inviato luce infrarossa attraverso i loro dispositivi e hanno osservato come i plasmoni si propagavano tra il metallo e il grafene. Per raggiungere il più piccolo spazio concepibile, decisero di ridurre il più possibile il divario tra il metallo e il grafene per vedere se il confinamento della luce rimaneva efficiente, per esempio. senza ulteriori perdite di energia. Sorprendentemente, hanno visto che anche quando un monostrato di hBN è stato utilizzato come distanziatore, i plasmoni erano ancora eccitati dalla luce, e poteva propagarsi liberamente mentre era confinato in un canale dello spessore di appena un atomo. Sono riusciti ad attivare e disattivare questa propagazione plasmonica, semplicemente applicando una tensione elettrica, dimostrando il controllo della luce guidata in canali inferiori a un nanometro di altezza.

I risultati di questa scoperta consentono un mondo completamente nuovo di dispositivi optoelettronici con uno spessore di appena un nanometro, come interruttori ottici ultra-piccoli, rivelatori e sensori. A causa del cambio di paradigma nel confinamento del campo ottico, È ora possibile esplorare interazioni luce-materia estreme che prima non erano accessibili. Ciò che è davvero eccitante è che la cassetta degli attrezzi lego su scala atomica di materiali 2D si è ora dimostrata applicabile anche a molti tipi di dispositivi con materiali completamente nuovi in ​​cui sia la luce che gli elettroni possono essere controllati anche fino alla scala di un nanometro.