La miniaturització ha donat lloc a la materialització de somnis inimaginables. La reducció de la mida dels circuits electrònics ens ha permès accedir a tecnologies, com els smartphones, rellotges intel·ligents de salut, sondes mèdiques o fins i tot nanosatèl·lits, impensables fa un parell de dècades. Només cal veure com, en el transcurs de 60 anys, el transistor ha passat de ser de la mida del palmell de la mà, a tenir una dimensió de 14 nanòmetres de dimensió, unes 1.000 vegades més petit que el diàmetre d'un cabell humà.

També ha obert la tecnologia a una nova era de circuits òptics i ha donat lloc a nous desafiaments i obstacles a superar, per exemple, sobre com tractar amb el control i el guiat de llum a escala nanomètrica. Cada vegada han anat apareixent més tècniques noves, les quals busquen formes de confinar la llum a espais extremadament petits, milions de vegades més petits que els aconseguits fins al moment. Anteriorment, els científics ja havien descobert que els metalls poden comprimir la llum per sota de l'escala de la seva longitud d'ona (límit de difracció).

En aquest aspecte, el grafè, un material compost d'una sola capa d'àtoms de carboni amb propietats òptiques i elèctriques excepcionals, és capaç de guiar la llum en forma de "plasmons", que són oscil·lacions d'electrons que interactuen fortament amb la llum. Aquests plasmons de grafè tenen la capacitat natural de limitar la llum a espais molt petits. Fins al moment només era possible confinar els plasmons de grafè en una direcció, mentre que la capacitat real de la llum per interactuar amb partícules petites, com àtoms i molècules, resideix en el volum en el qual se la pot comprimir o confinar la mateixa. Aquest tipus de confinament en les tres dimensions es coneix comunament com una cavitat òptica.

En un estudi publicat recentment a la revista Science, els investigadors de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC)– Itai Epstein, David Alcaraz, varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, dirigits pel professor ICREA a l'ICFO Frank Koppens, en col·laboració amb investigadors de l'MIT, la Duke University, la Université Paris-Saclay i la Universidade do Minho, han aconseguit construir un nou tipus de cavitat per plasmons de grafè, dipositant nanocubs metàl·lics (de mides nanomètriques) sobre una làmina de grafè. Aquesta tècnica ha permès aconseguir la cavitat òptica més petita mai construïda fins al moment per llum infraroja, basada en plasmons de grafè.

En el seu experiment, els científics van utilitzar cubs de plata de la mida de 50 nanòmetres (nanocub), que es van dipositar de manera aleatòria sobre una làmina de grafè, sense un patró o orientació específics. Això va permetre que cada nanocub, juntament amb el grafè, actués com una sola cavitat. Després, van enviar llum infraroja a través del dispositiu i van observar com els plasmons es propagaven en l'espai entre el nanocub metàl·lic i el grafè, comprimint-se només a aquest volum molt petit.

Com comenta Itai Epstein, primer autor de l'estudi, "el principal obstacle que ens vam trobar en aquest experiment residia en el fet que la longitud d'ona de la llum en el rang infraroig és molt gran i els cubs són molt petits, aproximadament 200 vegades més petits, així que és extremadament difícil fer que interactuïn entre ells".

Per superar aquest inconvenient, els investigadors van utilitzar un fenomen especial: quan els plasmons de grafè interactuaven amb els nanocubs, generaven una ressonància especial anomenada ressonància magnètica. Com aclareix Epstein, "una propietat única de la ressonància magnètica és que pot actuar com un tipus d'antena que fa de nexe connector entre les petites dimensions del nanocub i la gran longitud d'ona de la llum". Per tant, la ressonància generada va mantenir els plasmons movent-se entre el cub i el grafè en un volum molt petit, el qual és deu mil milions de vegades més petit que el volum de la llum infraroja utilitzada, un fet mai abans aconseguit en temes de confinament òptic. A més, van poder veure que cada cavitat nanocub-grafè, quan interactuava amb la llum, actuava com un nou tipus de nano antena que podia dispersar la llum infraroja de manera molt eficient.

Els resultats de l'estudi són extremadament prometedors per al camp de la detecció molecular i biològica, important per a la medicina, la biotecnologia, la inspecció d'aliments o fins i tot la seguretat, ja que la tècnica és capaç d'intensificar el camp òptic considerablement i, per tant, detectar materials moleculars, que generalment responen a llum infraroja.

Com afirma el professor Koppens, "aquesta fita és de gran importància perquè ens permet ajustar el volum del mode plasmònic per impulsar la seva interacció amb partícules petites, com molècules o àtoms, i poder detectar-les i estudiar-les. Sabem que els rangs de llum infraroja i de Terahertz de l'espectre òptic proporcionen informació valuosa sobre les ressonàncies vibracionals de les molècules, el qual obre la possibilitat d'interactuar i detectar materials moleculars, així com utilitzar aquesta tècnica com una tecnologia de detecció prometedora".

Article de referència

• Far-field Excitation of Single Graphene Plasmon Cavities with Ultra-compressed Mode-volumes. Itai Epstein, David Alcaraz, Zhiqin Huang, Varun-Varma Pusapati, Jean-Paul Hugonin, Avinash Kumar, Xander M. Deputy, Tymofiy Khodkov, Tatiana G. Rappoport, Jin-Yong Hong, Nuno M. R. Peres, Jing Kong, David R. Smith, and Frank H. L. Koppens, Science 368, 6496 (2020)