En el corazón de los láseres, las pantallas y otros dispositivos emisores de luz se encuentra la emisión de fotones. Poder controlar la modulación eléctrica de esta emisión es de enorme importancia en las comunicaciones ópticas, los sensores y las pantallas. El manejo eléctrico de las vías de emisión de luz abre la posibilidad de nuevos tipos de nanodispositivos fotónicos, basados en la plasmónica activa.

Ahora, científicos del ICFO y otro centros de investigación (MIT, CNRS, CNISM y Graphenea) han demostrado de forma activa e in situ el control eléctrico del flujo de energía de iones de erbio a fotones o plasmones. El plasmón es la cuasipartícula que resulta de la cuantización de las oscilaciones del plasma, al igual que los fotones son cuantizaciones de ondas electromagnéticas y mecánicas.

El experimento se llevó a cabo colocando los emisores de erbio a unas pocas decenas de nanómetros de distancia de la hoja de grafeno, cuya densidad de portadores (es decir, su energía de Fermi) es controlada eléctricamente. Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics.

Los iones de erbio se usan para amplificadores ópticos y emiten luz a una longitud de onda de 1,5 mm, conocida como la tercera ventana de telecomunicaciones. Esta es importante para las telecomunicaciones ópticas, ya que en este rango se produce muy poca pérdida de energía y, por tanto, la transmisión de información es muy eficiente.

El estudio ha demostrado que el flujo de energía a partir de los iones erbio a fotones o plasmones puede ser controlado simplemente mediante la aplicación de un pequeño voltaje eléctrico. Cabe señalar que los plasmones en el grafeno son bastante únicos, ya que están fuertemente confinados, con una longitud de onda del plasmón dos órdenes de magnitud menor que la longitud de onda de los fotones emitidos.

A medida que la energía de Fermi (la densidad de portadores) de la hoja de grafeno se iba incrementando gradualmente, los emisores de erbio pasaban de excitar a los electrones en la hoja de grafeno, a emitir fotones o plasmones. Los experimentos llevados a cabo lograron revelar los tan codiciados y buscados plasmones de grafeno a frecuencias del infrarrojo cercano, relevantes para estas aplicaciones en telecomunicaciones. Además, se ha visto que la fuerte concentración de energía óptica ofrece nuevas posibilidades para el almacenamiento y manipulación de datos a través de redes plasmónicas activas.

El investigador Frank Koppens del ICFO comenta que este trabajo «demuestra que, gracias a las propiedades optoelectrónicas del grafeno, es posible el control eléctrico eficaz de la luz a escalas nanométricas». El estudio ha sido financiado por el Flagship Grafeno de la Comisión Europea, así como por el programa NWO Rubicon, la Fundació Privada Cellex Barcelona, y los programas ERC y MIT MISTI-España.