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Logran confinar luz infrarroja en la cavidad más pequeña construida jamás

Científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona han logrado confinar luz infrarroja en la cavidad más pequeña jamás construida gracias al grafeno, lo que puede ser un gran avance en la detección molecular y biológica en medicina, biotecnología, inspecciones de alimentos o en seguridad.

El logro, que publica la revista Science, demuestra que se puede intensificar el campo óptico considerablemente y, por lo tanto, detectar materiales moleculares, que generalmente responden a la luz infrarroja, según explica el investigador del ICFO Frank Koppens.

El experimento, en el que colaboraron investigadores del MIT y de las universidades de Duke, París-Saclay y do Minho, es un nuevo avance en la miniaturización que se ha acelerado durante los últimos años en el campo científico y que ha dado lugar a materializar desde relojes inteligentes a sondas médicas o nanosatélites.

La miniaturización abre una nueva era

Precisamente, esta miniaturización, que, por ejemplo, ha permitido que en solo 60 años el transistor haya pasado de ser del tamaño de la palma de la mano a tener una dimensión de 14 nanómetros, unas 1.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano, ha abierto la tecnología a una nueva era de circuitos ópticos.

Los científicos están ahora investigando cómo controlar el guiado de la luz a escala nanométrica y con nuevas técnicas buscan formas de confinar la luz en espacios extremadamente pequeños, millones de veces más pequeños que los conseguidos hasta ahora.

Anteriormente, los científicos ya habían descubierto que los metales pueden comprimir la luz por debajo de la escala de su longitud de onda (límite de difracción).

Gracias al grafeno

En ese aspecto, el grafeno, un material compuesto de una sola capa de átomos de carbono con propiedades ópticas y eléctricas excepcionales, es capaz de guiar la luz en forma de «plasmones», que son oscilaciones de electrones que interactúan con la luz.

Estos plasmones de grafeno tienen la capacidad natural de limitar la luz a espacios muy pequeños y hasta ahora solo era posible confinarlos en una dirección, mientras que la capacidad real de la luz para interactuar con partículas pequeñas, como átomos y moléculas, reside en el volumen en el que se la puede comprimir o confinar.

Este tipo de confinamiento en las tres dimensiones se conoce comúnmente como una cavidad óptica.

Ahora, los investigadores de ICFO Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, dirigidos por  Koppens, han logrado construir un nuevo tipo de cavidad para plasmones de grafeno, depositando nanocubos metálicos sobre una lámina de grafeno.

Esta técnica ha permitido conseguir la cavidad óptica más pequeña jamás construida hasta ahora para luz infrarroja, basada en plasmones de grafeno.

Cubos de plata

En su experimento, los científicos utilizaron cubos de plata del tamaño de 50 nanómetros, que se depositaron de manera aleatoria sobre la lámina de grafeno, sin un patrón u orientación específicos, lo que hizo que cada nanocubo, junto con el grafeno, actuara como una sola cavidad.

Luego, enviaron luz infrarroja a través del dispositivo y observaron cómo los plasmones se propagaban en el espacio entre el nanocubo metálico y el grafeno, comprimiéndose solo a ese volumen muy pequeño.

Según ha explicado Epstein, primer autor del estudio, en el experimento han conseguido que los plasmones estuvieran moviéndose entre el cubo y el grafeno en un volumen 10.000 millones de veces más pequeño que el volumen de la luz infrarroja regular, algo nunca antes logrado en temas de confinamiento óptico.

Además, pudieron ver que cada cavidad nanocubo-grafeno, cuando interactuaba con la luz, actuaba como un nuevo tipo de nanoantena que podía dispersar la luz infrarroja de manera muy eficiente.

«Este logro es de gran importancia porque nos permite detectar y estudiar átomos y moléculas y utilizar esta técnica como una tecnología de detección prometedora», según Koppens. Efe

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