La miniaturizzazione ha permesso a tecnologie come gli smartphone, orologi sanitari, sonde mediche e nano-satelliti, tutto impensabile un paio di decenni fa. Immagina che nel corso di 60 anni, il transistor si è ridotto dalle dimensioni del tuo palmo a 14 nanometri di dimensione, 1000 volte più piccolo del diametro di un capello.

La miniaturizzazione ha spinto la tecnologia verso una nuova era dei circuiti ottici. Ma parallelamente, ha anche innescato nuove sfide e ostacoli, Per esempio, controllo e guida della luce su scala nanometrica. I ricercatori stanno cercando tecniche per confinare la luce in spazi estremamente piccoli, milioni di volte più piccole di quelle attuali. Gli studi avevano precedentemente scoperto che i metalli possono comprimere la luce al di sotto della scala della lunghezza d'onda (limite di diffrazione).

In quell'aspetto, grafene, un materiale composto da un unico strato di atomi di carbonio, che presenta eccezionali proprietà ottiche ed elettriche, è in grado di guidare la luce sotto forma di plasmoni, che sono oscillazioni di elettroni che interagiscono fortemente con la luce. Questi plasmoni di grafene hanno una capacità naturale di confinare la luce in spazi molto piccoli. Però, fino ad ora, era possibile confinare questi plasmoni solo in una direzione, mentre l'effettiva capacità della luce di interagire con piccole particelle come atomi e molecole risiede nel volume in cui può essere compressa. Questo tipo di confinamento in tutte e tre le dimensioni è comunemente considerato una cavità ottica.

In un recente studio pubblicato su Scienza , I ricercatori ICFO Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, guidato dal Prof. ICREA presso ICFO Frank Koppens, in collaborazione con ricercatori del MIT, Duke University, Université Paris-Saclay, e Universidad do Minho, hanno costruito un nuovo tipo di cavità per plasmoni di grafene integrando cubi metallici di dimensioni nanometriche su un foglio di grafene. Il loro approccio ha permesso loro di realizzare la più piccola cavità ottica mai costruita per la luce infrarossa, sulla base di questi plasmoni.

Nel loro esperimento hanno usato nanocubi d'argento di 50 nanometri di dimensione, che sono stati spruzzati casualmente sopra il foglio di grafene senza alcun motivo o orientamento specifico. Questo ha permesso ad ogni nanocubo, insieme al grafene, agire come un'unica cavità. Quindi hanno inviato luce infrarossa attraverso il dispositivo e hanno osservato come i plasmoni si sono propagati nello spazio tra il nanocubo metallico e il grafene, essere compresso solo in quel volume molto piccolo.

Itai Epstein, primo autore dello studio, dice, "L'ostacolo principale che abbiamo incontrato in questo esperimento risiedeva nel fatto che la lunghezza d'onda della luce nella gamma dell'infrarosso è molto grande e i cubi sono molto piccoli, circa 200 volte più piccolo, quindi è estremamente difficile farli interagire tra loro."

Per superare questo, hanno usato un fenomeno speciale:quando i plasmoni di grafene interagivano con i nanocubi, erano in grado di generare una risonanza magnetica. Epstein dice, "Una proprietà unica della risonanza magnetica è che può agire come un tipo di antenna che colma la differenza tra le piccole dimensioni del nanocubo e la grande scala della luce".

Così, la risonanza generata ha mantenuto i plasmoni in movimento tra il cubo e il grafene in un volume molto piccolo, che è 10 miliardi di volte più piccolo del volume della normale luce infrarossa, qualcosa di mai raggiunto prima nel confinamento ottico. Per di più, hanno potuto vedere che la singola cavità del cubo di grafene, quando si interagisce con la luce, ha agito come un nuovo tipo di nano-antenna in grado di diffondere la luce infrarossa in modo molto efficiente.

I risultati dello studio sono estremamente promettenti per il campo del rilevamento molecolare e biologico, importante per la medicina, biotecnologia, ispezione alimentare e persino sicurezza, poiché questo approccio è in grado di intensificare notevolmente il campo ottico e quindi di rilevare materiali molecolari, che di solito rispondono alla luce infrarossa.

Il prof. Koppens dice, "Questo risultato è di grande importanza perché ci consente di regolare il volume della modalità plasmonica per guidare la loro interazione con piccole particelle, come molecole o atomi, ed essere in grado di rilevarli e studiarli. Sappiamo che le gamme dell'infrarosso e dei terahertz dello spettro ottico forniscono preziose informazioni sulle risonanze vibrazionali delle molecole, aprendo la possibilità di interagire e rilevare materiali molecolari e utilizzarli come una promettente tecnologia di rilevamento".