Miniaturisatie heeft technologie zoals smartphones mogelijk gemaakt, gezondheids horloges, medische sondes en nanosatellieten, allemaal ondenkbaar een paar decennia geleden. Stel je voor dat in de loop van 60 jaar, de transistor is gekrompen van de grootte van je handpalm tot 14 nanometer in afmeting, 1000 keer kleiner dan de diameter van een haar.

Miniaturisatie heeft technologie naar een nieuw tijdperk van optische schakelingen geduwd. Maar parallel, het heeft ook geleid tot nieuwe uitdagingen en obstakels, bijvoorbeeld, controleren en sturen van licht op nanometerschaal. Onderzoekers zijn op zoek naar technieken om licht op te sluiten in extreem kleine ruimtes, miljoenen malen kleiner dan de huidige. Studies hadden eerder aangetoond dat metalen licht onder de golflengteschaal (diffractielimiet) kunnen comprimeren.

In dat opzicht is grafeen, een materiaal samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen, die uitzonderlijke optische en elektrische eigenschappen vertoont, is in staat om licht te geleiden in de vorm van plasmonen, dat zijn oscillaties van elektronen die sterk interageren met licht. Deze grafeenplasmonen hebben een natuurlijk vermogen om licht te beperken tot zeer kleine ruimtes. Echter, tot nu, het was alleen mogelijk om deze plasmonen in één richting te beperken, terwijl het werkelijke vermogen van licht om te interageren met kleine deeltjes zoals atomen en moleculen zich bevindt in het volume waarin het kan worden gecomprimeerd. Dit type opsluiting in alle drie de dimensies wordt algemeen beschouwd als een optische holte.

In een recente studie gepubliceerd in Wetenschap , ICFO-onderzoekers Itai Epstein, David Alcaraz, Varum Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Frank Koppens, in samenwerking met onderzoekers van MIT, Duke universiteit, Université Paris-Saclay, en Universidad do Minho, hebben een nieuw type holte gebouwd voor grafeenplasmonen door metalen kubussen van nanometergrootte over een grafeenvel te integreren. Hun aanpak stelde hen in staat om de kleinste optische holte te realiseren die ooit is gebouwd voor infrarood licht, op basis van deze plasmonen.

In hun experiment gebruikten ze zilveren nanokubussen van 50 nanometer groot, die willekeurig op het grafeenvel werden gestrooid zonder specifiek patroon of oriëntatie. Hierdoor kon elke nanokubus, samen met grafeen, om als een enkele holte te fungeren. Daarna stuurden ze infrarood licht door het apparaat en observeerden hoe de plasmonen zich voortplantten in de ruimte tussen de metalen nanokubus en het grafeen. wordt alleen gecomprimeerd tot dat zeer kleine volume.

Itai Epstein, eerste auteur van de studie, zegt, "Het belangrijkste obstakel dat we in dit experiment tegenkwamen, was het feit dat de golflengte van licht in het infraroodbereik erg groot is en de kubussen erg klein, ongeveer 200 keer kleiner, dus het is buitengewoon moeilijk om ze met elkaar te laten communiceren."

Om dit te overwinnen, ze gebruikten een speciaal fenomeen - toen de grafeenplasmonen in wisselwerking stonden met de nanokubussen, ze waren in staat om een ​​magnetische resonantie te genereren. Epstein zegt, "Een unieke eigenschap van magnetische resonantie is dat het kan fungeren als een soort antenne die het verschil tussen de kleine afmetingen van de nanokubus en de grote schaal van het licht overbrugt."

Dus, de gegenereerde resonantie hield de plasmonen in een zeer klein volume in beweging tussen de kubus en grafeen, dat 10 miljard keer kleiner is dan het volume van gewoon infrarood licht, iets wat nog nooit eerder is bereikt in optische opsluiting. Verder, ze konden zien dat de enkele grafeen-kubusholte, bij interactie met het licht, fungeerde als een nieuw type nano-antenne die het infrarood licht zeer efficiënt kan verstrooien.

De resultaten van de studie zijn veelbelovend voor het gebied van moleculaire en biologische detectie, belangrijk voor de geneeskunde, biotechnologie, voedselinspectie en zelfs beveiliging, aangezien deze benadering in staat is om het optische veld aanzienlijk te intensiveren en zo moleculaire materialen te detecteren, die meestal reageren op infrarood licht.

Prof. Koppens zegt, "Deze prestatie is van groot belang omdat het ons in staat stelt om het volume van de plasmonmodus af te stemmen om hun interactie met kleine deeltjes te stimuleren, zoals moleculen of atomen, en in staat zijn om ze op te sporen en te bestuderen. We weten dat de infrarood- en terahertz-bereiken van het optische spectrum waardevolle informatie verschaffen over vibratieresonanties van moleculen, het openen van de mogelijkheid om te interageren en moleculaire materialen te detecteren en dit te gebruiken als een veelbelovende detectietechnologie."