Investigadores de CIC nanoGUNE, el ICFO y Graphenea proponen una
plataforma tecnológica basada en antenas metálicas que permiten atrapar y
controlar la luz en grafeno, un material de un solo átomo de espesor.
La luz guiada y confinada en este material, de un solo átomo de espesor,
puede ser dirigida y curvada siguiendo la óptica convencional, lo que
abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos
fotónicos más pequeños y rápidos.
Representación gráfica de la refracción de los plasmones del grafeno
–puesta en marcha por una antena de oro minúsculo– al pasar por un
prisma de un solo átomo de espesor. / nanoGUNE
Los circuitos y dispositivos ópticos podrían realizar el
procesamiento de señales y la computación mucho más rápidamente. "Sin
embargo, aunque la luz es muy rápida, necesita demasiado espacio",
explica Rainer Hillenbrand, profesor Ikerbasque en nanoGUNE y la
Universidad del País Vasco (UPV/EHU). De hecho, la propagación de la luz
necesita al menos el espacio de la mitad de su longitud de onda, que es
mucho más grande que los componentes electrónicos básicos de última
generación en nuestros ordenadores. Por esa razón, surge el desafío de
comprimir la luz y controlar su propagación en la nanoescala a través de
un material dado.
Una posible solución podría ser el grafeno,
material de una sola capa de átomos de carbono con propiedades
extraordinarias. La longitud de onda de la luz capturada por una capa de
este material puede ser reducida considerablemente, en un factor de 10 a
100, en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Como
consecuencia, esta luz que se propaga a lo largo de la capa de grafeno
—llamada plasmón del grafeno— requiere mucho menos espacio. Pero la
transformación de manera eficiente de la luz en plasmones del grafeno y
su manipulación con un dispositivo compacto es todo un reto tecnológico.
Ahora un equipo de investigadores de nanoGUNE, ICFO y Graphenea demuestra que el concepto de
antena comúnmente utilizado para las ondas de radio podría ser una
solución. El equipo muestra que una barra de metal de tamaño
nanométrico colocada sobre el grafeno puede captar luz infrarroja
(actúando como una antena para la luz) y transformarla en plasmones del
grafeno, de forma análoga a una antena de radio que convierte las ondas
de radio en ondas electromagnéticas en un cable metálico.
Nanoantenas de oro sobre grafeno
El grupo de Nanodispositivos de
nanoGUNE fabricó nanoantenas de oro sobre grafeno proporcionado por
Graphenea. Posteriormente, el grupo de Nanoóptica utilizó el microscopio
de campo cercano NEASPEC para visualizar cómo los plasmones del grafeno
se ponen en marcha y se propagan a lo largo de la capa de grafeno. Con el fin de probar si la propagación de luz a
lo largo de una capa de carbono de un solo átomo de grosor sigue las
leyes de la óptica convencional, los investigadores diseñaron distintos
experimentos para enfocar y refractar la luz. Para el experimento de
enfoque, curvaron la antena. Las imágenes resultantes mostraron que los
plasmones del grafeno se concentran a una cierta distancia de la antena,
como cuando un haz de luz se focaliza con una lente o espejo cóncavo.
El grupo también observó que los plasmones del grafeno se refractan
(cambian de dirección) cuando pasan a través de una doble capa de
grafeno en forma de prisma, de forma análoga a como se flexiona un haz
de luz al pasar a través de un prisma de cristal.
En el futuro,
tales cambios de conductividad en el grafeno podrían ser establecidos
por medios electrónicos simples, lo que permitiría un control altamente
eficiente de la refracción, entre otros, para aplicaciones de guiado de
luz.
En definitiva, los experimentos muestran que los principios
fundamentales y más importantes de la óptica convencional también se
aplican a los plasmones del grafeno, es decir, a luz extremadamente
comprimida que se propaga a lo largo de una sola capa de átomos de
carbono. Los futuros desarrollos basados en estos resultados podrían
conducir a circuitos y dispositivos ópticos extremadamente
miniaturizados que podrían ser útilizados en aplicaciones de detección y
computación.
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