In un recente studio pubblicato su Science, i ricercatori dell’ICFO – l’ Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona, in Spagna, insieme ad altri membri della Graphene Flagship, hanno raggiunto il massimo livello di confinamento della luce. Sono stati in grado di confinare la luce in uno spazio di un atomo, il più piccolo possibile. Questo aprirà la strada a interruttori ottici ultra-piccoli, rilevatori e sensori.
La luce può funzionare come un canale di comunicazione ultraveloce, ad esempio tra diverse sezioni di un chip del computer, ma può anche essere utilizzata per sensori ultrasensibili o laser su scala nanometrica su chip. Attualmente vi sono molte ricerche su come ridurre ulteriormente i dispositivi che controllano e guidano la luce.
Sono in aumento le tecnologie che cercano modi per confinare la luce in spazi estremamente piccoli, molto più piccoli di quelli attuali. I ricercatori avevano precedentemente scoperto che i metalli possono comprimere la luce al di sotto della scala della lunghezza d’onda (limite di diffrazione), ma più si riducono le dimensioni e maggiore è la perdita di energia. Questo problema fondamentale è stato superato.
“Il grafene continua a sorprenderci: nessuno pensava che fosse possibile confinare la luce al limite dell’atomo e aprirà una serie completamente nuova di applicazioni, come comunicazioni ottiche e sensori ad una scala inferiore al nanometro”, ha detto il professor Frank Koppens.
Questo team di ricercatori, compresi quelli di ICFO (Spagna), Università del Minho (Portogallo) e MIT (USA), ha utilizzato materiali bidimensionali impilati, chiamate etero-strutture, per costruire un nuovo dispositivo nano-ottico. Hanno preso un mono strato di grafene (che agisce come un semi-metallo), e vi hanno impilato sopra un monostrato esagonale di nitruro di boro (hBN) (un isolante) e, sopra di esso, una serie di barre metalliche. Hanno usato il grafene perché può guidare la luce sotto forma di plasmoni, che sono oscillazioni degli elettroni, che interagiscono fortemente con la luce.
“All’inizio stavamo cercando un nuovo modo per eccitare i plasmoni di grafene, abbiamo scoperto che il confinamento era più forte di prima e le perdite addizionali minime, quindi abbiamo deciso di andare al limite di un atomo con risultati sorprendenti”, ha detto David Alcaraz Iranzo, l’autore principale di ICFO.
Con l’invio di luce infrarossa attraverso i loro dispositivi, i ricercatori hanno osservato come i plasmoni si sono propagati tra il metallo e il grafene. Per raggiungere lo spazio più piccolo concepibile, hanno deciso di ridurre il divario tra il metallo e il grafene il più possibile per vedere se il confinamento della luce rimaneva efficiente, cioè senza perdite di energia aggiuntive. Sorprendentemente, hanno visto che anche quando si usava un mono strato di hBN, i plasmoni erano ancora eccitati, e potevano propagarsi liberamente mentre erano confinati in un canale di solo un atomo di spessore. Sono riusciti a attivare e disattivare questa propagazione del plasmone, semplicemente applicando una tensione elettrica, dimostrando il controllo della luce guidata in canali più piccoli di un nanometro.
Ciò consente la creazione di nuovi dispositivi opto-elettronici con uno spessore di un nanometro, come interruttori ottici ultra-piccoli, rilevatori e sensori. A causa del cambio di paradigma nel confinamento del campo ottico, è ora possibile esplorare interazioni luce-materia estreme che prima non erano accessibili. Gli strumenti a scala atomica di materiali bidimensionali ora si è dimostrata applicabile anche per molti tipi di nuovi dispositivi in cui sia la luce che gli elettroni possono essere controllati fino alla scala di un nanometro.
Il professor Andrea C. Ferrari, responsabile scientifico e tecnologico del Graphene Flagship, ha aggiunto: “Mentre l’ammiraglia sta guidando lo sviluppo di nuove applicazioni, in particolare nel campo della fotonica e dell’optoelettronica, non perdiamo di vista la ricerca fondamentale. I risultati impressionanti riportati in questo documento sono una testimonianza dell’importanza per la scienza all’avanguardia del lavoro di Graphene Flagship: aver raggiunto il limite massimo di confinamento della luce potrebbe portare a nuovi dispositivi dalle dimensioni ridotte senza precedenti.”
Link allo studio su Science: http://science.sciencemag.org/content/360/6386/291