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, cuasipartículas en las 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 200 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), CIC nanoGUNE (San Sebastían) y CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa) –todos miembros del EU Graphene Flagship–, y las universidades estadounidenses de Columbia y Misuri.

Su estudio, que ha publicado recientemente la revista Nature Materials, se centra en la unión del grafeno al nitruro de boro, un buen aislante. La 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.

El profesor del ICFO Frank Koppens comenta: «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 su longitud de onda. 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 nanooptoelectrónicas de una nueva heteroestructura que fue descubierta anteriormente por la Columbia University.

El profesor James Hone (Columbia) 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”.

Ayuda de nanomateriales para propagar lejos la luz

Y el investigador Rainer Hillenbrand del CIC nanoGUNE comenta: “Ahora podemos comprimir la luz y al mismo tiempo propagarla a distancias considerables a través de nanomateriales. 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”.

Según sus autores, 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.