Post del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO)

Imagen: Fabien Vialla / ICFO

Las tecnologías que utilizamos hoy en día llevan dispositivos electrónicos que están hechos principalmente de transistores. El transistor fue inventado por Bell Labs a fines de la década de 1940, y constituye uno de los pilares elementales de procesadores y circuitos electrónicos. El primer transistor que se construyó comenzó siendo tan grande como 1 cm, pero gracias al avance de la tecnología, el transistor comercial más pequeño hoy en día ha alcanzado un tamaño sorprendente de 14 nanómetros, es decir, 1000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello. Sin embargo, a pesar de que se han podido miniaturizar y poner cientos de millones de transistores en chips extremadamente pequeños y así aumentar exponencialmente la velocidad de procesamiento, los ingenieros son conscientes de que el proceso de miniaturización de tales dispositivos ha llegado a su límite, principalmente debido a las limitaciones planteadas por la física, es decir, por el tamaño de átomos y electrones.

Por lo tanto, en el intento de desarrollar dispositivos aún más pequeños y mucho más veloces, surge la siguiente pregunta: ¿Cómo es posible reducir su tamaño más allá de las limitaciones físicas antes mencionadas? ¿Pretendemos violar las leyes físicas para conseguirlo? No necesariamente, porque hay un truco para lograrlo. Somos conscientes de la necesidad de desarrollar nuevos dispositivos más allá de estas limitaciones porque es de gran importancia para el futuro de las comunicaciones y la informática, y somos conscientes de que los electrones y los circuitos electrónicos definitivamente no son el acompañante perfecto ni adecuado para hacerlo porque se los considera demasiado grandes en el mundo microscópico. Sin embargo, la luz, por otro lado, ha demostrado ser la solución correcta.

Los fotones, las partículas que componen la luz, viajan mucho más rápido que los electrones. Gracias a ellos, se ha logrado incrementar la velocidad a la cual se transmite información dentro de un chip o incluso alrededor del mundo. Los fotones utilizan la fibra óptica para transmitir información a grandes distancias sin experimentar perdidas de señal, como puede ser la información que viaja debajo del océano de un continente a otro. Las futuras tecnologías muy posiblemente combinen luz y electrones para procesar e intercambiar información en un chip. Sin embargo, la fibra óptica tiene un inconveniente: no puede utilizarse para confinar la luz en dimensiones menores que la mitad del tamaño de la longitud de onda de la onda de luz, límite conocido con el nombre de «límite de difracción». Por lo tanto, no cabe ni puede utilizarse en circuitos diminutos.

Por ello, se han estado estudiando y desarrollando nuevas técnicas para confinar la luz en espacios muy pequeños, millones de veces más pequeños que los actuales. En este intento, los científicos han observado que el comportamiento de la luz podría ser explotado como una onda ya que, a escalas tan pequeñas, en lugar de comportarse como una partícula, la luz se comporta como una onda que se propaga a lo largo de la superficie de materiales conductores. Pero, debido a su naturaleza, estas ondas pierden energía o se disipan con bastante rapidez y no permiten que la información recorra grandes distancias. Entonces, ¿cómo podemos confinar e intensificar las señales en espacios tan pequeños sin sufrir pérdidas de energía aún más considerables?

Ahora, un grupo de científicos del ICFO ha logrado encontrar una solución a este problema. Los investigadores David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret y Johann Osmond, liderados por Frank Koppens, profesor ICREA en el ICFO, han podido alcanzar el nivel máximo de confinamiento de la luz. Es decir, han hecho algo extraordinario: confinar la luz en un espacio de un átomo de espesor, el confinamiento más pequeño posible.

Utilizando materiales 2D, diseñaron un dispositivo tipo «sándwich» apilando tres materiales distintos: grafeno, un aislante y un metal. Usaron grafeno porque este material es capaz de guiar la luz en forma de «plasmones», que son oscilaciones del campo eléctrico en un material conductor, como las ondas de agua que se forman en la superficie de un estanque, que representan la excitación de las moléculas de agua. Es importante saber que estas oscilaciones de los plasmones interactúan fuertemente con la luz, y realmente pueden ayudar a guiarla a través del material. Como el grafeno es tan delgado (tiene una altura de un átomo de espesor), los pulsos de luz pueden ser comprimidos en un espacio millones de veces más pequeño que en materiales normales.

Una vez puesto en marcha el experimento, los científicos enviaron pulsos de luz infrarroja a través de las capas de materiales y observaron cómo los plasmones se propagaban entre el metal y el grafeno. Como los plasmones no están restringidos por el límite de difracción, mostraron ser excelentes para guiar la luz a través de los caminos y los espacios del dispositivo, los cuales eran mucho más estrechos que la propia longitud de onda de la luz utilizada.

Los científicos decidieron poner a prueba el límite físico del experimento intentando lograr una configuración espacial lo más pequeña posible. Decidieron reducir, tanto como fuera posible, la distancia entre el metal y el grafeno para ver si el confinamiento vertical de la luz se mantenía. Sorprendentemente, vieron que incluso cuando se reducía la altura de la capa aislante entre el grafeno y el metal hasta un átomo de espesor, los plasmones se excitaban y se propagaban sin perder la calidad de señal. Es decir, los plasmones eran capaces de guiar eficientemente la luz a través de un canal de un átomo de espesor. También demostraron poder controlar este «panqueque plano de luz» mediante voltajes eléctricos, al encenderlo o apagarlo, o al ajustar su longitud de onda. Tal demostración significa un paso importante para unir el mundo de la electrónica con el mundo nanoóptico.

Los resultados del experimento permiten entrar en un nuevo mundo dentro del campo de la microscopía, los sensores y los láseres a nanoescala, en el cual se podrán desarrollar dispositivos muy pequeños que funcionen completamente con la luz.