Alla elektroniska enheter består av miljarder transistorer, den viktigaste byggstenen som uppfanns i Bell Labs i slutet av 1940 -talet. Tidiga transistorer var så stora som en centimeter, men mäter nu cirka 14 nanometer. Det har också varit en tävling för att ytterligare krympa enheter som styr och styr ljus. Ljus kan fungera som en extremt snabb kommunikationskanal, till exempel, mellan olika delar av ett datorchip, men den kan också användas för ultrakänsliga sensorer eller nya nanoskala lasrar på chip.

Nya tekniker har kommit fram för att begränsa ljus till extremt små utrymmen, miljontals gånger mindre än nuvarande. Forskare har tidigare funnit att metaller kan komprimera ljus under våglängdsskalan (diffraktionsgräns), men mer inneslutning kommer alltid att kosta fler energiförluster. Detta paradigm har nu förskjutits genom att använda grafen.

I en ny studie publicerad i Vetenskap , ICFO -forskare har nu begränsat ljuset till ett utrymme som är en atom tjockt i dimension, minsta möjliga inneslutning. Arbetet leddes av ICREA Prof vid ICFO Frank Koppens och utfördes av David Alcaraz, Sebastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Mark Lundeberg, Romain Parret, och Johann Osmond från ICFO, och utfördes i samarbete med University of Minho (Portugal) och MIT (USA).

Forskargruppen använde staplar (heterostrukturer) av 2-D-material, och byggde upp en helt ny nano-optisk enhet, som om det vore en lego i atomskala. De tog ett grafenmonoskikt (halvmetall), och staplade på det ett sexkantigt bornitrid (hBN) monoskikt (isolator), och ovanpå detta avsatt en rad metalliska stavar. De använde grafen eftersom detta material kan styra ljus i form av "plasmoner", som är svängningar av elektronerna, interagerar starkt med ljus.

De skickade infrarött ljus genom sina enheter och observerade hur plasmonerna förökade sig mellan metallen och grafen. För att nå det minsta tänkbara utrymmet, de bestämde sig för att så mycket som möjligt minska klyftan mellan metallen och grafen för att se om begränsningen av ljus förblev effektiv, t.ex. utan ytterligare energiförluster. Slående, de såg att även när ett monoskikt av hBN användes som distans, plasmonerna var fortfarande upphetsade av ljuset, och kunde föröka sig fritt samtidigt som den var begränsad till en kanal med bara atomatom. De lyckades slå på och stänga av denna plasmonförökning, helt enkelt genom att applicera en elektrisk spänning, visar styrning av ljus styrt i kanaler som är mindre än en nanometer höjd.

Resultaten av denna upptäckt möjliggör en helt ny värld av opto-elektroniska enheter som bara är en nanometer tjocka, till exempel ultralåga optiska omkopplare, detektorer och sensorer. På grund av paradigmskiftet i begränsning av optiska fält, extrema ljus-materia-interaktioner kan nu utforskas som inte var tillgängliga tidigare. Det som verkligen är spännande är att atomskalens lego-verktygslåda med 2-D-material nu också har visat sig vara tillämplig för många typer av helt nya materialanordningar där både ljus och elektroner kan styras till och med ner till en nanometer.