Comprimir a luz em minúsculos circuitos e controlar seu fluxo eletricamente é um Santo Graal que se tornou um cenário realista graças à descoberta do grafeno. Esta conquista tentadora é realizada explorando os chamados plasmons, em que os elétrons e a luz se movem juntos como uma onda coerente. Plasmons guiados por grafeno - uma folha bidimensional de átomos de carbono - são notáveis, pois podem ser confinados a escalas de comprimento de nanômetros, até duzentas vezes abaixo do comprimento de onda da luz. Um obstáculo importante até agora tem sido a rápida perda de energia que esses plasmons experimentam, limitando o alcance sobre o qual eles poderiam viajar.

Este problema agora foi resolvido, como mostrado por pesquisadores do ICFO (Barcelona), em colaboração com CIC nanoGUNE (San Sebastian), e CNR / Scuola Normale Superiore (Pisa), todos os membros da EU Graphene Flagship, e Columbia University (Nova York).

Desde a descoberta do grafeno, muitos outros materiais bidimensionais foram isolados em laboratório. Um exemplo é o nitreto de boro, um isolante muito bom. Uma combinação desses dois materiais bidimensionais únicos forneceu a solução para a busca pelo controle da luz em minúsculos circuitos e pela supressão de perdas. Quando o grafeno é encapsulado em nitreto de boro, elétrons podem se mover balisticamente por longas distâncias sem espalhamento, mesmo à temperatura ambiente. Esta pesquisa agora mostra que o sistema de material de grafeno / nitreto de boro também é um excelente hospedeiro para luz extremamente fortemente confinada e supressão de perdas de plasmon.

O professor Frank Koppens do ICFO comenta que "é notável que fazemos a luz se mover mais de 150 vezes mais devagar do que a velocidade da luz, e em escalas de comprimento mais de 150 vezes menores que o comprimento de onda da luz. Em combinação com a capacidade totalmente elétrica de controlar circuitos ópticos em nanoescala, pode-se imaginar oportunidades muito interessantes para aplicativos. "

A pesquisa, realizado pelos estudantes de doutorado Achim Woessner (ICFO) e Yuando Gao (Columbia) e o colega de pós-doutorado Mark Lundeberg (ICFO), é apenas o começo de uma série de descobertas sobre as propriedades nanooptoeletrônicas de novas heteroestruturas baseadas na combinação de diferentes tipos de materiais bidimensionais. A heteroestrutura do material foi descoberta pela primeira vez pelos pesquisadores da Universidade de Columbia. O Prof. James Hone comenta:"O nitreto de boro provou ser o 'parceiro' ideal para o grafeno, e esta incrível combinação de materiais continua a nos surpreender com seu excelente desempenho em muitas áreas ”.

O Prof. Rainer Hillenbrand do CIC nanoGUNE comenta:"Agora podemos comprimir a luz e, ao mesmo tempo, fazê-la se propagar por distâncias significativas através de materiais em nanoescala. No futuro, plasmons de grafeno de baixa perda podem tornar o processamento de sinal e computação muito mais rápido, e a detecção óptica mais eficiente. "

A equipe de pesquisa também realizou estudos teóricos. Marco Polini, do CNR / Scuola Normale Superiore (Pisa) e do IIT Graphene Labs (Genova), elaborou uma teoria e realizou cálculos em conjunto com seus colaboradores. Ele explica que "de acordo com a teoria, as interações entre a luz, elétrons e o sistema material são agora muito bem compreendidos, mesmo em um nível totalmente microscópico. É muito raro encontrar um material tão limpo e em que esse nível de compreensão seja possível ”.

Essas descobertas abrem caminho para circuitos ópticos extremamente miniaturizados e dispositivos que podem ser úteis para detecção óptica e / ou biológica, processamento de informações ou comunicação de dados.