Cuando menos es más: una sola capa de átomos impulsa la generación no lineal de luz
Las estructuras construidas alrededor de una sola capa de grafeno permiten fuertes no linealidades ópticas
Una amplia gama de tecnologías, que van desde los láseres y las telecomunicaciones ópticas hasta la computación cuántica, se basan en la interacción óptica no lineal. Típicamente, estas interacciones no lineales, que permiten que un rayo de luz, por ejemplo, cambie su frecuencia, son implementadas por materiales a granel. En un nuevo estudio, un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Viena ha demostrado que las estructuras construidas alrededor de una sola capa de grafeno permiten fuertes no linealidades ópticas que pueden convertir la luz. El equipo logró esto utilizando cintas de oro de tamaño nanométrico para exprimir la luz, en forma de plasmones, en grafeno atómicamente fino. Los resultados, que se publican en la revista Nature Nanotechnology, son prometedores para una nueva familia de dispositivos no lineales sintonizables ultra pequeños.
Imagen artística de la generación de luz usando una heteroestructura de grafeno y nanoestructuras metálicas. Esta heteroestructura permite una gigantesca mejora de un proceso óptico no lineal que cambia las propiedades de la luz, como su frecuencia (color).
© Thomas Rögelsperger, University of Vienna
En los últimos años, se ha hecho un esfuerzo concertado para desarrollar dispositivos plasmónicos para manipular y transmitir la luz a través de dispositivos de tamaño nanométrico. Al mismo tiempo, se ha demostrado que las interacciones no lineales pueden mejorarse en gran medida mediante el uso de plasmones, que pueden surgir cuando la luz interactúa con los electrones de un material. En un plasmón, la luz se une a los electrones en la superficie de un material conductor, lo que permite que los plasmones sean mucho más pequeños que la luz que los creó originalmente. Esto puede conducir a interacciones no lineales extremadamente fuertes. Sin embargo, los plasmones se crean típicamente en la superficie de los metales, lo que hace que se descompongan muy rápidamente, limitando tanto la longitud de propagación del plasmón como las interacciones no lineales. En este nuevo trabajo, los investigadores muestran que la larga vida útil de los plasmones en el grafeno y la fuerte no linealidad de este material pueden superar estos desafíos.
En su experimento, el equipo de investigación dirigido por Philip Walther en la Universidad de Viena (Austria), en colaboración con investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona (España), la Universidad del Sur de Dinamarca, la Universidad de Montpellier y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (EE.UU.) utilizó pilas de materiales bidimensionales, llamadas heteroestructuras, para construir un dispositivo plasmónico no lineal. Tomaron una sola capa atómica de grafeno y depositaron un conjunto de nanoribones metálicos sobre ella. Las cintas metálicas magnificaron la luz entrante en la capa de grafeno, convirtiéndola en plasmones de grafeno. Estos plasmones quedaron atrapados bajo los nanoribones de oro, y produjeron luz de diferentes colores a través de un proceso conocido como generación armónica. Los científicos estudiaron la luz generada y demostraron que la interacción no lineal entre los plasmones de grafeno era crucial para describir la generación armónica. Según Irati Alonso Calafell, el autor principal del trabajo, "hemos demostrado que los nanoribones de oro relativamente simples pueden mejorar simultáneamente la no linealidad del grafeno, excitar los plasmones de grafeno y crear una cavidad plasmónica".
Aunque el campo de la plasmónica de grafeno está todavía en su infancia, los investigadores confían en que estos resultados puedan ser utilizados para explorar la nueva física en las heteroestructuras de grafeno, y conducir a una variedad de aplicaciones. Lee Rozema, uno de los científicos que trabajan en el proyecto, dijo "nuestro equipo en Viena ha propuesto previamente que las interacciones no lineales mediadas por los plasmones de grafeno podrían ser utilizadas para la computación cuántica, y ahora hemos proporcionado la confirmación experimental de que estos plasmones pueden de hecho interactuar de forma no lineal". El equipo planea seguir presionando para obtener heteroestructuras de grafeno aún más eficientes, experimentando con nuevas geometrías metálicas y explotando diferentes tipos de interacciones no lineales.
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Publicación original
I. Alonso Calafell, L.A. Rozema, D. Alcaraz Iranzo, A. Trenti, P.K. Jenke, J.D. Cox, A. Kumar, H. Bieliaiev, S. Nanot, C. Peng, D.K. Efetov, J.Y. Hong, J. Kong, D.R. Englund, F. J. García de Abajo, F. H. L. Koppens, P. Walther; "Giant enhancement of third-harmonic generation in graphene-metal heterostructures"; Nature Nanotechnology; 2020
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