Investigadores han encontrado una manera de acoplar las propiedades de distintos materiales bidimensionales para lograr un grado excepcional de control sobre las ondas de luz. Afirman que esto podría dar lugar a nuevos tipos de detección de luz, sistemas de gestión térmica y dispositivos de obtención de imágenes de alta resolución.
Los nuevos hallazgos —que emplean una capa de grafeno de un átomo de grosor depositada sobre una capa similar, también bidimensional, de un material llamado nitruro de boro hexagonal (hBN)— se publican en la revista Nano Letters. El trabajo está firmado también por Nicholas Fang, profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT, y el estudiante de posgrado Anshuman Kumar, junto con sus coautores del Centro de Investigación T.J. Watson de IBM, la Universidad Politécnica de Hong Kong y la Universidad de Minnesota.
Aunque los dos materiales son estructuralmente similares —ambos están compuestos por redes hexagonales de átomos que forman láminas bidimensionales—, cada uno interactúa con la luz de manera muy distinta. Sin embargo, los investigadores descubrieron que estas interacciones pueden complementarse y acoplarse de formas que permiten controlar ampliamente el comportamiento de la luz.
El material híbrido bloquea la luz cuando se aplica un voltaje determinado al grafeno, y permite un tipo especial de emisión y propagación, llamado «hiperbolicidad», cuando se aplica otro voltaje; se trata de un fenómeno nunca antes observado en sistemas ópticos, afirma Fang. Una de las consecuencias de este comportamiento inusual es que una lámina extremadamente delgada de material puede interactuar intensamente con la luz, lo que permite guiar, canalizar y controlar los haces mediante voltajes aplicados a la lámina.
«Esto abre una nueva oportunidad para enviar y recibir luz en un espacio muy confinado», afirma Fang, y podría dar lugar a «un material óptico único con gran potencial para las interconexiones ópticas». Muchos investigadores consideran que mejorar la interconexión de componentes ópticos y electrónicos es una vía hacia sistemas de computación y obtención de imágenes más eficientes.
La interacción de la luz con el grafeno produce partículas llamadas plasmones, mientras que la interacción de la luz con el hBN produce fonones. Fang y sus colegas descubrieron que, cuando los materiales se combinan de cierta manera, los plasmones y los fonones pueden acoplarse y producir una resonancia intensa.
Las propiedades del grafeno permiten controlar la luz con precisión, mientras que el hBN ofrece un confinamiento y una guía de la luz muy intensos. Según los investigadores, combinar ambos materiales permite crear nuevos «metamateriales» que reúnen las ventajas de los dos.
Phaedon Avouris, investigador de IBM y coautor del artículo, afirma: «La combinación de estos dos materiales proporciona un sistema único que permite manipular procesos ópticos».
Según los investigadores, los materiales combinados crean un sistema ajustable que puede configurarse para permitir la propagación únicamente de luz con determinadas longitudes de onda o direcciones. «Podemos empezar a seleccionar ciertas frecuencias [para dejarlas pasar] y rechazar otras», afirma Kumar.
Estas propiedades deberían permitir crear, afirma Fang, diminutas guías de ondas ópticas de unos 20 nanómetros, un tamaño que se encuentra en el mismo rango que las características más pequeñas que actualmente pueden fabricarse en microchips. Según los investigadores, esto podría dar lugar a chips que combinen componentes ópticos y electrónicos en un solo dispositivo, con pérdidas mucho menores que cuando estos dispositivos se fabrican por separado y luego se interconectan.
El coautor Tony Low, investigador de IBM y de la Universidad de Minnesota, afirma: «Nuestro trabajo abre el camino para utilizar heteroestructuras de materiales bidimensionales con el fin de diseñar nuevas propiedades ópticas a demanda».
Otra posible aplicación, afirma Fang, deriva de la capacidad de encender y apagar un haz de luz en la superficie del material; como el material funciona de forma natural en longitudes de onda del infrarrojo cercano, esto podría abrir nuevas vías para la espectroscopia infrarroja. «Incluso podría permitir una resolución de molécula única», afirma Fang, en referencia a biomoléculas colocadas sobre la superficie del material híbrido.
Sheng Shen, profesor asistente de ingeniería mecánica de la Universidad Carnegie Mellon que no participó en esta investigación, afirma: «Este trabajo representa un avance significativo en la comprensión de las interacciones sintonizables de la luz en el grafeno-hBN». El trabajo es «bastante fundamental» para aportar los conocimientos necesarios para desarrollar dispositivos optoelectrónicos o fotónicos basados en grafeno y hBN, afirma, y «podría ofrecer orientación teórica directa para diseñar este tipo de dispositivos. … Personalmente, me entusiasma mucho este novedoso trabajo teórico».
El equipo de investigación también incluyó a Kin Hung Fung, de la Universidad Politécnica de Hong Kong. El trabajo recibió el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: David L. Chandler es colaborador de MIT News.
Imagen: Se muestra la gigantesca representación del sol creada por el artista Olafur Eliasson, parte de su proyecto Weather en la Turbine Hall de la Tate Modern de Londres. REUTERS/Peter MacDiarmid.
