Recreación artística de un plasmón (excitaciones electrónicas que se acoplan a la luz, brillo anaranjado) propagándose entre una varilla de oro (amarillo) y una monocapa de grafeno (red hexagonal negra) separadas entre sí por una capa de nitruro de boro de un solo átomo de espesor (red hexagonal plateada).
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Materiales exóticos
En las últimas décadas, la ciencia de materiales ha vivido una inusitada revolución debido, en buena parte, a la aplicación de áreas como la geometría y la topología al estudio de las fases cuánticas de la materia: un fructífero enfoque que en 2016 fue reconocido con la concesión del premio Nobel de física a David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane y J. Michael Kosterlitz. En este monográfico digital (en PDF) podrás encontrar una selección de artículos que te ayudarán a entender la belleza de los conceptos físicos y matemáticos que, más allá de sus fascinantes aplicaciones, explican las propiedades de algunos nuevos materiales, como los aislantes y superconductores topológicos, los líquidos de espín, el grafeno o los aislantes de Mott.
La constante miniaturización de los componentes electrónicos, sumada a la posibilidad de emplear la luz para transmitir información, ha hecho que en los últimos años los científicos se afanen en confinar y controlar señales ópticas en volúmenes cada vez menores. Al respecto, se han cosechado varios avances gracias al uso de plasmones: estados colectivos de los electrones libres de un material en los que estos pueden acoplarse a los fotones, por lo que pueden aprovecharse para transportar la luz. En la mayoría de los casos, sin embargo, la propagación de plasmones en un espacio reducido se ve sometida a fuertes pérdidas de energía, lo que ha venido restringiendo la capacidad para confinarlos más allá de cierto límite.
Ahora, un nuevo trabajo cuyos resultados se publican en Science acaba de superar ese obstáculo. En un experimento llevado a cabo por miembros del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, la portuguesa Universidad de Minho y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, los investigadores han conseguido confinar sin pérdidas la propagación de plasmones en la mínima escala de longitud posible: una superficie de solo un átomo de espesor. El logro promete nuevos avances en nanofotónica y, sobre todo, reviste importancia por cuanto se adentra en los límites fundamentales que atañen a la interacción entre la luz y la materia.
El nuevo dispositivo consta de una monocapa de grafeno, sobre la cual los investigadores depositaron otra de nitruro de boro (un material también bidimensional) y, sobre esta última, una serie de varillas de oro. Al hacerlo, observaron que los plasmones se propagaban entre el grafeno y el oro; es decir, a través de un espacio con un grosor no mayor que el de un solo átomo, unos 0,3 nanómetros. Hasta ahora, el récord de confinamiento en este tipo de experimentos ascendía a unos 10 nanómetros o más. Además, en la mayoría de los casos, la propagación de plasmones se veía afectada por considerables pérdidas de energía, algo que no sucede en el nuevo montaje.
Según explica Frank Koppens, miembro del ICFO y director del trabajo, «el metal actúa de manera efectiva como un espejo, por lo que el sistema puede verse como dos capas de grafeno separadas entre sí por menos de un nanómetro, entre las cuales hay confinado un plasmón». En las direcciones paralelas a la lámina de grafeno, la longitud de onda típica de los plasmones asciende a unos 50 nanómetros, precisa el investigador.
De cara a sus potenciales aplicaciones, un aspecto importante en este tipo de experimentos reside en la capacidad para controlar la dirección en la que se propaga la señal. Por el momento, esto no es posible en el nuevo montaje, ya que la propagación de los plasmones es isótropa a lo largo de la superficie (es decir, procede por igual en todas las direcciones del plano, como ocurre por ejemplo con las ondas que se forman sobre la superficie de un estanque cuando lanzamos una piedra). «Sin embargo, estamos trabajando en nuevos dispositivos en los que sí podremos controlar la dirección de propagación», señala Koppens.
El trabajo augura nuevas posibilidades en optoelectrónica, como la fabricación de canales ultrapeqeuños de comunicación óptica entre las diferentes partes de un mismo chip, o nuevos sensores a escala nanométrica, entre otros. Preguntado sobre si el hallazgo reviste una mayor importancia práctica o teórica, Koppens concluye lo siguiente: «No podemos ver el futuro para predecir cuán importantes serán las aplicaciones. Cuando se inventó el transistor, el interés residía sin duda en sus aspectos fundamentales, pero hoy llevamos miles de millones de transistores en el bolsillo. En estos momentos [nuestro trabajo] supone un cambio de paradigma científico en lo que atañe al control del campo electromagnético a la nanoescala. Ahora habremos de ver cómo se desarrollan las aplicaciones y si estas acaban por superar el impacto del descubrimiento en sí».
Ernesto Lozano Tellechea
Más información en la página web del ICFO y del proyecto Graphene Flagship.
Referencia: «Probing the ultimate plasmon confinement limits with a van der Waals heterostructure», David Alcaraz Iranzo et al. en Science, vol. 360, págs. 291-295, 20 de abril de 2018. Una versión gratuita se encuentra disponible en el repositorio arXiv.
