Licht in kleine circuits persen en de stroom elektrisch regelen is een heilige graal die dankzij de ontdekking van grafeen een realistisch scenario is geworden. Deze prikkelende prestatie wordt gerealiseerd door gebruik te maken van zogenaamde plasmonen, waarin elektronen en licht samen bewegen als één coherente golf. Plasmonen geleid door grafeen - een tweedimensionale laag koolstofatomen - zijn opmerkelijk omdat ze kunnen worden beperkt tot lengteschalen van nanometers, tot tweehonderd keer onder de golflengte van licht. Een belangrijke hindernis tot nu toe was het snelle energieverlies dat deze plasmonen ervaren, beperking van het bereik waarover ze konden reizen.

Dit probleem is nu opgelost, zoals blijkt uit onderzoekers van ICFO (Barcelona), in samenwerking met CIC nanoGUNE (San Sebastian), en CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa), alle leden van het EU Graphene Flagship, en Columbia University (New York).

Sinds de ontdekking van grafeen, veel andere tweedimensionale materialen zijn in het laboratorium geïsoleerd. Een voorbeeld is boornitride, een zeer goede isolator. Een combinatie van deze twee unieke tweedimensionale materialen heeft de oplossing geboden voor de zoektocht naar het beheersen van licht in kleine circuits en het onderdrukken van verliezen. Wanneer grafeen is ingekapseld in boornitride, elektronen kunnen ballistisch over lange afstanden bewegen zonder verstrooiing, zelfs bij kamertemperatuur. Dit onderzoek toont nu aan dat het materiaalsysteem grafeen/boornitride ook een uitstekende gastheer is voor extreem sterk beperkt licht en onderdrukking van plasmonverliezen.

ICFO Prof Frank Koppens merkt op dat "het opmerkelijk is dat we licht meer dan 150 keer langzamer laten bewegen dan de snelheid van het licht, en op lengteschalen die meer dan 150 keer kleiner zijn dan de golflengte van licht. In combinatie met de volledig elektrische mogelijkheid om optische circuits op nanoschaal te besturen, men kan zich zeer opwindende mogelijkheden voor toepassingen voorstellen."

Het onderzoek, uitgevoerd door promovendi Achim Woessner (ICFO) en Yuando Gao (Columbia) en postdoctoraal fellow Mark Lundeberg (ICFO), is slechts het begin van een reeks ontdekkingen over nano-opto-elektronische eigenschappen van nieuwe heterostructuren op basis van het combineren van verschillende soorten tweedimensionale materialen. De materiële heterostructuur werd voor het eerst ontdekt door de onderzoekers van Columbia University. Prof. James Hone merkt op:"Boornitride heeft bewezen de ideale 'partner' te zijn voor grafeen, en deze verbazingwekkende combinatie van materialen blijft ons verrassen met zijn uitstekende prestaties op vele gebieden".

Prof. Rainer Hillenbrand van CIC nanoGUNE zegt:"Nu kunnen we licht samenknijpen en het tegelijkertijd over aanzienlijke afstanden laten voortplanten door materialen op nanoschaal. In de toekomst zullen we grafeenplasmonen met laag verlies kunnen signaalverwerking en computergebruik veel sneller maken, en optische detectie efficiënter."

Het onderzoeksteam voerde ook theoretische studies uit. Marco Polini, van CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa) en de IIT Graphene Labs (Genua), legde samen met zijn medewerkers een theorie vast en voerde berekeningen uit. Hij legt uit dat "volgens de theorie, de interacties tussen licht, elektronen en het materiële systeem zijn nu heel goed begrepen, zelfs op volledig microscopisch niveau. Het is zeer zeldzaam om een ​​materiaal te vinden dat zo schoon is en waarin dit niveau van begrip mogelijk is".

Deze bevindingen maken de weg vrij voor extreem geminiaturiseerde optische circuits en apparaten die nuttig kunnen zijn voor optische en/of biologische detectie, informatieverwerking of datacommunicatie.