En las últimas décadas los procesos de miniaturización han permitido materializar lo inimaginable. El transistor, por ejemplo, en 60 años ha pasado de ser del tamaño de una mano a medir 14 nanómetros, unas 1000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano. Circuitos electrónicos cada vez más diminutos hacen posible que hoy podamos tener smartphones, relojes de salud, sondas médicas o incluso nano satélites. 

La miniaturización ha abierto la tecnología a una nueva era de circuitos ópticos, pero también ha dado lugar a nuevos desafíos y obstáculos a superar. Uno de ellos es cómo lidiar con el control y el guiado de luz a escala nanométrica. La nuevas técnicas buscan formas de confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los conseguidos hasta ahora. 

Este nuevo tipo de cavidad óptica para luz infrarroja integra cubos de plata de tamaños nanométricos sobre una lámina de grafeno

En este contexto, el grafeno, un material compuesto de una sola capa de átomos de carbono con propiedades ópticas y eléctricas excepcionales, es capaz de guiar la luz en forma de plasmones, oscilaciones de electrones que interactúan fuertemente con la luz. 

Los plasmones de grafeno tienen la capacidad natural de limitar la luz a espacios muy pequeños. Hasta ahora solo era posible confinar estos plasmones en una dirección, pero la capacidad real de la luz para interactuar con partículas pequeñas, como átomos y moléculas, reside en el volumen en el que se la puede comprimir o confinar. Este tipo de confinamiento, en las tres dimensiones, se considera como una cavidad óptica.

Ahora, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), en Barcelona, en colaboración con investigadores del MIT y las universidades Duke (EE UU), Paris-Saclay (Francia) y do Minho (Portugal), han logrado construir un nuevo tipo de cavidad para plasmones de grafeno, depositando nanocubos metálicos sobre una lámina de grafeno.

Esta técnica ha permitido obtener la cavidad óptica más pequeña jamás construida hasta ahora para luz infrarroja, basada en plasmones de grafeno.

Cubos de plata de 50 nanómetros

En su experimento, los científicos utilizaron cubos de plata del tamaño de 50 nanómetros, que se depositaron de manera aleatoria sobre la lámina de grafeno, sin un patrón u orientación específicos. Esto permitió que cada nanocubo, junto con el grafeno, actuara como una sola cavidad.

Luego, los investigadores enviaron luz infrarroja a través del dispositivo y observaron cómo los plasmones se propagaban en el espacio entre el nanocubo metálico y el grafeno, comprimiéndose solo a ese volumen tan pequeño.

La resonancia generada mantuvo los plasmones moviéndose entre el nanocubo y el grafeno en un volumen 10.000 millones de veces más pequeño que el de la luz infrarroja regular, algo nunca logrado en confinamiento óptico

Como comenta Itai Epstein del ICFO, primer autor del estudio, “el principal obstáculo que encontramos residía en el hecho de que la longitud de onda de la luz en el rango infrarrojo es muy grande y los cubos son muy pequeños, aproximadamente 200 veces más pequeños, así que es extremadamente difícil hacer que interactúen entre ellos”.

Para superar este inconveniente, se utilizó un fenómeno especial: la resonancia magnética que generaban los plasmones de grafeno cuando interactuaban con los nanocubo.

“Una propiedad única de esta resonancia magnética es que puede actuar como un tipo de antena que hace de nexo conector entre las pequeñas dimensiones del nanocubo y la gran longitud de onda de la luz”, apunta Epstein. 

Por lo tanto, la resonancia generada mantuvo los plasmones moviéndose entre el cubo y el grafeno en un volumen muy pequeño, el cual es 10.000 millones de veces más pequeño que el volumen de la luz infrarroja regular, algo nunca logrado en confinamiento óptico. 

Una nanoantena dispersadora de luz

Además, el equipo pudo ver que la cavidad nanocubo-grafeno, cuando interactuaba con la luz, actuaba como un nuevo tipo de nanoantena que podía dispersar la luz infrarroja de manera muy eficiente. 

Los resultados del estudio son extremadamente prometedores para el campo de la detección molecular y biológica

Según los autores, los resultados del estudio son extremadamente prometedores para el campo de la detección molecular y biológica, importante para la medicina, la biotecnología, la inspección de alimentos o incluso la seguridad, ya que la técnica es capaz de intensificar el campo óptico considerablemente y, por lo tanto, detectar materiales moleculares, que generalmente responden a luz infrarroja. 

Como afirma el profesor Frank Koppens que ha dirigido el equipo del ICFO, “este logro es de gran importancia porque nos permite ajustar el volumen del modo plasmónico para impulsar su interacción con partículas pequeñas, como moléculas o átomos, y poder detectarlas y estudiarlas. Sabemos que los rangos de infrarrojos y de terahertz del espectro óptico proporcionan información valiosa sobre las resonancias vibracionales de las moléculas, lo que abre la posibilidad de interactuar y detectar materiales moleculares, así como utilizar esta como una tecnología de detección prometedora”. 

Referencia: 

Itai Epstein,   David Alcaraz,  Zhiqin Huang,  Varun-Varma Pusapati,  Jean-Paul Hugonin,  Avinash Kumar, Xander M. Deputy,  Tymofiy Khodkov,  Tatiana G. Rappoport,  Jin-Yong Hong, Nuno M. R. Peres, Jing Kong, David R. Smith,  Frank H. L. Koppens. “Far-field Excitation of Single Graphene Plasmon Cavities with Ultra-compressed Mode-volumes”. Science 2020.