p A miniaturização possibilitou tecnologias como smartphones, relógios de saúde, sondas médicas e nano-satélites, tudo impensável algumas décadas atrás. Imagine que, ao longo de 60 anos, o transistor diminuiu do tamanho da palma da sua mão para 14 nanômetros de dimensão, 1000 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo. p A miniaturização levou a tecnologia a uma nova era de circuitos ópticos. Mas em paralelo, também gerou novos desafios e obstáculos, por exemplo, controlar e orientar a luz na escala nanométrica. Os pesquisadores estão procurando técnicas para confinar a luz em espaços extremamente pequenos, milhões de vezes menor que os atuais. Estudos haviam descoberto anteriormente que os metais podem comprimir a luz abaixo da escala de comprimento de onda (limite de difração).

p Nesse aspecto, grafeno, um material composto de uma única camada de átomos de carbono, que exibe propriedades ópticas e elétricas excepcionais, é capaz de guiar a luz na forma de plasmons, que são oscilações de elétrons que interagem fortemente com a luz. Esses plasmons de grafeno têm uma capacidade natural de confinar a luz em espaços muito pequenos. Contudo, até agora, só foi possível confinar esses plasmons em uma direção, enquanto a capacidade real da luz de interagir com pequenas partículas, como átomos e moléculas, reside no volume em que pode ser comprimida. Esse tipo de confinamento em todas as três dimensões é comumente considerado uma cavidade óptica.

p Em um estudo recente publicado em Ciência , Os pesquisadores do ICFO, Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, liderado pelo ICREA Prof. no ICFO Frank Koppens, em colaboração com pesquisadores do MIT, Universidade Duke, Université Paris-Saclay, e Universidad do Minho, construíram um novo tipo de cavidade para plasmons de grafeno integrando cubos metálicos de tamanhos nanométricos sobre uma folha de grafeno. Sua abordagem permitiu-lhes perceber a menor cavidade óptica já construída para luz infravermelha, com base nesses plasmons.

p Em seu experimento, eles usaram nanocubos de prata de 50 nanômetros de tamanho, que foram espalhados aleatoriamente no topo da folha de grafeno sem nenhum padrão ou orientação específica. Isso permitiu que cada nanocubo, junto com o grafeno, para atuar como uma única cavidade. Em seguida, eles enviaram luz infravermelha através do dispositivo e observaram como os plasmons se propagaram no espaço entre o nanocubo de metal e o grafeno, sendo compactado apenas para aquele volume muito pequeno.

p Itai Epstein, primeiro autor do estudo, diz, "O principal obstáculo que encontramos neste experimento residia no fato de que o comprimento de onda da luz na faixa do infravermelho é muito grande e os cubos são muito pequenos, cerca de 200 vezes menor, por isso é extremamente difícil fazer com que eles interajam entre si. "

p Para superar isso, eles usaram um fenômeno especial - quando os plasmons de grafeno interagiram com os nanocubos, eles foram capazes de gerar uma ressonância magnética. Epstein diz, "Uma propriedade única da ressonância magnética é que ela pode atuar como um tipo de antena que faz a ponte entre as pequenas dimensões do nanocubo e a grande escala da luz."

p Assim, a ressonância gerada manteve os plasmons se movendo entre o cubo e o grafeno em um volume muito pequeno, que é 10 bilhões de vezes menor do que o volume da luz infravermelha regular, algo nunca antes alcançado em confinamento óptico. Além disso, eles foram capazes de ver que a única cavidade do cubo de grafeno, ao interagir com a luz, atuou como um novo tipo de nano-antena capaz de espalhar a luz infravermelha de maneira muito eficiente.

p Os resultados do estudo são extremamente promissores para o campo do sensoriamento molecular e biológico, importante para a medicina, biotecnologia, inspeção de alimentos e até segurança, uma vez que esta abordagem é capaz de intensificar o campo óptico consideravelmente e, assim, detectar materiais moleculares, que geralmente respondem à luz infravermelha.

p O Prof. Koppens diz:"Essa conquista é de grande importância porque nos permite ajustar o volume do modo plasmon para conduzir sua interação com pequenas partículas, como moléculas ou átomos, e ser capaz de detectá-los e estudá-los. Sabemos que as faixas de infravermelho e terahertz do espectro óptico fornecem informações valiosas sobre ressonâncias vibracionais de moléculas, abrindo a possibilidade de interagir e detectar materiais moleculares, bem como usar isso como uma tecnologia de detecção promissora. "