Científicos consiguen atrapar y manipular la luz usando grafeno

Equipos españoles de investigación han logrado visualizar por primera vez luz guiada con precisión nanométrica en grafeno, en una capa de átomos de carbono con un espesor de tan solo un átomo.

Esta visualización prueba lo que físicos teóricos habían 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 de detección ultra-sensible.

El estudio, que pública esta semana la revista Nature, ha sido posible gracias a las sinergias establecidas entre el Instituto de Química-Física Rocasolano (IQFR-CSIC) de Madrid, el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona y nanoGUNE, en San Sebastián.

Imágenes pioneras

Hasta ahora, se habían predicho propiedades ópticas de interés del grafeno cuando la luz se acopla a los denominados plasmones (oscilaciones de naturaleza ondulatoria del “mar” de electrones de conducción en el grafeno).

Sin embargo, no se había obtenido evidencia experimental directa de estos plasmones.

La razón es que su longitud de onda, el ‘tamaño’ de los plasmones del grafeno, es entre 10 y 100 veces menor de lo que permiten observar los microscopios ópticos convencionales.

Los investigadores ha conseguido mostrar las primeras imágenes experimentales de plasmones en grafeno.

Para ello, los autores del estudio utilizaron 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 para proporcionar el momento (‘empuje’) necesario para crearlos.

Al mismo tiempo, la punta es sensible a la presencia de estas oscilaciones. 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.”

Importantes aplicaciones

Estos plasmones 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 commutadores 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, biodetección, 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”.

Referencia bibliográfica

Jianing Chen, Michela Badioli, Pablo Alonso-González, Susokin Thongrattanasiri, Florian Huth, Johann Osmond, Marko Spasenović, Alba Centeno, Amaia Pesquera, Philippe Godignon, Amaia Zurutuza, Nicolas Camara, Javier García de Abajo, Rainer Hillenbrand, Frank Koppens. Optical nano-imaging of gate-tunable grapheme plasmons. Nature 486, 21 de junio de 2012. DOI: 10.1038/nature11254.