Att klämma in ljus i små kretsar och kontrollera dess flöde elektriskt är en helig gral som har blivit ett realistiskt scenario tack vare upptäckten av grafen. Denna lockande prestation uppnås genom att utnyttja så kallade plasmoner, där elektroner och ljus rör sig tillsammans som en koherent våg. Plasmoner som styrs av grafen - ett tvådimensionellt ark av kolatomer - är anmärkningsvärt eftersom de kan begränsas till längdskalor på nanometer, upp till tvåhundra gånger under ljusets våglängd. Ett viktigt hinder fram till nu har varit den snabba förlusten av energi som dessa plasmoner upplever, begränsa räckvidden över vilken de kunde färdas.

Detta problem är nu löst, som visat av forskare från ICFO (Barcelona), i ett samarbete med CIC nanoGUNE (San Sebastian), och CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa), alla medlemmar av EU:s grafenflaggskepp, och Columbia University (New York).

Sedan upptäckten av grafen, många andra tvådimensionella material har isolerats i laboratoriet. Ett exempel är bornitrid, en mycket bra isolator. En kombination av dessa två unika tvådimensionella material har gett lösningen på jakten på att styra ljus i små kretsar och undertrycka förluster. När grafen är inkapslat i bornitrid, elektroner kan röra sig ballistiskt över långa avstånd utan att spridas, även vid rumstemperatur. Denna forskning visar nu att materialsystemet grafen/bornitrid också är en utmärkt värd för extremt starkt begränsat ljus och undertryckande av plasmonförluster.

ICFO Prof Frank Koppens kommenterar att "det är anmärkningsvärt att vi får ljus att röra sig mer än 150 gånger långsammare än ljusets hastighet, och på längdskalor mer än 150 gånger mindre än ljusets våglängd. I kombination med den helelektriska förmågan att styra optiska kretsar i nanoskala, man kan tänka sig mycket spännande möjligheter för applikationer. "

Forskningen, utförd av doktoranderna Achim Woessner (ICFO) och Yuando Gao (Columbia) och postdoktorand Mark Lundeberg (ICFO), är bara början på en serie upptäckter om nano-optoelektroniska egenskaper hos nya heterostrukturer baserade på att kombinera olika typer av tvådimensionella material. Materialets heterostruktur upptäcktes först av forskarna vid Columbia University. Prof. James Hone kommenterar:"Boronitrid har visat sig vara den idealiska 'partnern' för grafen, och denna fantastiska kombination av material fortsätter att överraska oss med sin enastående prestanda på många områden."

Prof. Rainer Hillenbrand från CIC nanoGUNE kommenterar:"Nu kan vi pressa ljus och samtidigt få det att spridas över betydande avstånd genom material i nanoskala. I framtiden, grafenplasmoner med låg förlust kan göra signalbehandling och beräkning mycket snabbare, och optisk avkänning effektivare."

Forskargruppen genomförde även teoretiska studier. Marco Polini, från CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa) och IIT Graphene Labs (Genova), lade upp en teori och utförde beräkningar tillsammans med sina medarbetare. Han förklarar att "enligt teori, växelverkan mellan ljus, elektroner och materialsystemet är nu mycket väl förstådda, även på en helt mikroskopisk nivå. Det är väldigt sällan man hittar ett material som är så rent och där denna nivå av förståelse är möjlig”.

Dessa fynd banar väg för extremt miniatyriserade optiska kretsar och enheter som kan vara användbara för optisk och/eller biologisk avkänning, informationsbehandling eller datakommunikation.