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News Release
Controlando la luz con grafeno
20 June 2012
Elhuyar Fundazioa
Científicos de los centros IQFR-CSIC, ICFO y nanoGUNE logran atrapar y confinar luz en grafeno, convirtiendo una capa de átomos de carbono en el candidato más prometedor para procesar información óptica a escalas nanométricas, así como detección óptica y optoelectrónica ultra-rápidas.
Grupos de investigación españoles logran visualizar por primera vez luz guiada con precisión nanométrica en grafeno (una capa de átomos de carbono con un espesor de tan solo un átomo). Esta visualización prueba lo que físicos teóricos han predicho desde hace tiempo: que es posible atrapar y manipular luz de manera muy eficiente usando grafeno como una nueva plataforma para procesar información óptica y para detección ultra-sensible. Las sinergias establecidas entre las propuestas teóricas del IQFR-CSIC (Madrid), la especialización en nanofotónica de grafeno y nanoelectrónica en ICFO (Barcelona) y el expertise experimental en nano-imagen óptica en nanoGUNE (San Sebastián) han desembocado en estos resultados espectaculares publicados esta semana en la revista Nature, paralelamente con otro estudio similar del grupo de Dmitry Basov en UCSD en California.
Entre las fascinantes propiedades del grafeno, destaca su extraordinario comportamiento óptico. En particular, se han predicho propiedades ópticas interesantes cuando la luz se acopla a los llamados plasmones (oscilaciones de naturaleza ondulatoria del “mar” de electrones de conducción en el grafeno). Sin embargo, no se había obtenido evidencia experimental directa de dichos plasmones antes de este trabajo. La razón es que la longitud de onda (es decir, el “tamaño”) de los plasmones del grafeno es entre 10 y 100 veces menor de lo que permiten observar los microscopios ópticos convencionales. Ahora, los investigadores han mostrado las primeras imágenes experimentales de plasmones en grafeno. Para ello, han utilizado un llamado microscopio de campo cercano en el que una punta muy afilada convierte un haz de luz con el que se irradia en un foco de luz de tamaño nanométrico que proporciona el momento (“empuje”) necesario para crear los plasmones. Al mismo tiempo, la punta es sensible a la presencia de los plasmones (Figura 1). Rainer Hillenbrand, líder del grupo de nanoGUNE, comenta: “¡Ver es creer! Nuestras imágenes ópticas de campo cercano prueban definitivamente la existencia de plasmones localizados y en movimiento en grafeno, y permiten una medida directa de su dramática reducción en longitud de onda.”
Como han demostrado estos investigadores, los plasmones del grafeno se pueden utilizar para controlar luz eléctricamente de manera similar a lo que tradicionalmente se consigue con electrones en un transistor. Estas aplicaciones, que hasta ahora eran imposibles con los plasmones que existen en otros materiales, hacen viables los conmutadores ópticos eficientes de tamaño nanométrico, que permitirán realizar cálculos mediante luz en lugar de electricidad. “Con nuestro trabajo hemos mostrado que el grafeno es una opción excelente para resolver importantes problemas tecnológicos relacionados con la modulación de luz a la velocidad de los microchips actuales,” comenta Javier García de Abajo, líder del grupo del IQFR-CSIC. Además, esta capacidad para atrapar luz en volúmenes extraordinariamente pequeños podría alumbrar una nueva generación de nano-sensores con aplicaciones en diversas áreas tales como medicina, bio-detección, células solares y sensores de luz, así como procesadores de información cuántica. Este resultado abre literalmente un nuevo campo de investigación y proporciona un camino viable para sintonizar luz de manera ultra-rápida, algo que no era posible hasta ahora. Frank Koppends, líder del grupo del ICFO, lo resume así: “El grafeno es un material único y novedoso para los plasmones, un verdadero puente entre los campos de la nano-electrónica y la nano-óptica”.