Alle elektronische apparaten bestaan ​​uit miljarden transistors, de belangrijkste bouwsteen die eind jaren veertig in Bell Labs werd uitgevonden. Vroege transistors waren zo groot als een centimeter, maar meet nu ongeveer 14 nanometer. Er is ook een race geweest om apparaten die licht controleren en geleiden verder te verkleinen. Licht kan fungeren als een ultrasnel communicatiekanaal, bijvoorbeeld, tussen verschillende delen van een computerchip, maar het kan ook worden gebruikt voor ultragevoelige sensoren of nieuwe lasers op nanoschaal op de chip.

Er zijn nieuwe technieken ontstaan ​​om licht te beperken tot extreem kleine ruimtes, miljoenen malen kleiner dan de huidige. Onderzoekers ontdekten eerder dat metalen licht onder de golflengteschaal (diffractielimiet) kunnen comprimeren, maar meer opsluiting zou altijd ten koste gaan van meer energieverliezen. Dit paradigma is nu verschoven door grafeen te gebruiken.

In een recente studie gepubliceerd in Wetenschap , ICFO-onderzoekers hebben het licht nu beperkt tot een ruimte met een dikte van één atoom, de kleinst mogelijke opsluiting. Het werk werd geleid door ICREA Prof bij ICFO Frank Koppens en uitgevoerd door David Alcaraz, Sébastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret, en Johann Osmond van ICFO, en uitgevoerd in samenwerking met de Universiteit van Minho (Portugal) en MIT (VS).

Het team van onderzoekers gebruikte stapels (heterostructuren) van 2D-materialen, en bouwde een volledig nieuw nano-optisch apparaat op, alsof het Lego op atoomschaal is. Ze namen een grafeenmonolaag (halfmetaal), en daarop een hexagonale boornitride (hBN) monolaag (isolator) gestapeld, en daarbovenop zette een reeks metalen staven af. Ze gebruikten grafeen omdat dit materiaal licht kan geleiden in de vorm van "plasmonen", die oscillaties van de elektronen zijn, sterke interactie met licht.

Ze stuurden infrarood licht door hun apparaten en observeerden hoe de plasmonen zich tussen het metaal en het grafeen voortplantten. Om de kleinst denkbare ruimte te bereiken, ze besloten om de opening tussen het metaal en het grafeen zo veel mogelijk te verkleinen om te zien of de opsluiting van licht efficiënt bleef, bijv. zonder extra energieverliezen. Opvallend, ze zagen dat zelfs wanneer een monolaag van hBN als spacer werd gebruikt, de plasmonen waren nog steeds opgewonden door het licht, en kon zich vrij voortplanten terwijl het werd beperkt tot een kanaal van slechts een atoom dik. Ze slaagden erin om deze plasmonvoortplanting aan en uit te zetten, door simpelweg een elektrische spanning aan te leggen, demonstreren van de controle van licht geleid in kanalen kleiner dan een nanometer hoogte.

De resultaten van deze ontdekking maken een compleet nieuwe wereld mogelijk van opto-elektronische apparaten van slechts één nanometer dik, zoals ultrakleine optische schakelaars, detectoren en sensoren. Vanwege de paradigmaverschuiving in optische veldopsluiting, extreme interacties tussen licht en materie kunnen nu worden onderzocht die voorheen niet toegankelijk waren. Wat echt opwindend is, is dat de lego-gereedschapskist van 2D-materialen op atoomschaal nu ook toepasbaar is gebleken voor vele soorten volledig nieuwe materialen waar zowel licht als elektronen kunnen worden gecontroleerd, zelfs tot op de schaal van een nanometer.