Miniatyrisering har möjliggjort teknik som smartphones, hälsoklockor, medicinska sonder och nanosatelliter, allt otänkbart för ett par decennier sedan. Föreställ dig bara att under loppet av 60 år, transistorn har krympt från storleken på din handflata till 14 nanometer i dimension, 1000 gånger mindre än diametern på ett hårstrå.

Miniatyrisering har drivit tekniken till en ny era av optiska kretsar. Men parallellt, det har också utlöst nya utmaningar och hinder, till exempel, styrande och styrande ljus på nanometerskala. Forskare letar efter tekniker för att begränsa ljus i extremt små utrymmen, miljoner gånger mindre än nuvarande. Studier hade tidigare funnit att metaller kan komprimera ljus under våglängdsskalan (diffraktionsgränsen).

I den aspekten, grafen, ett material som består av ett enda lager av kolatomer, som uppvisar exceptionella optiska och elektriska egenskaper, kan leda ljus i form av plasmoner, som är oscillationer av elektroner som starkt interagerar med ljus. Dessa grafenplasmoner har en naturlig förmåga att begränsa ljus till mycket små utrymmen. Dock, tills nu, det var bara möjligt att begränsa dessa plasmoner i en riktning, medan ljusets faktiska förmåga att interagera med små partiklar som atomer och molekyler finns i den volym som det kan komprimeras till. Denna typ av inneslutning i alla tre dimensioner betraktas vanligen som en optisk kavitet.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Vetenskap , ICFO-forskare Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, leds av ICREA Prof. vid ICFO Frank Koppens, i samarbete med forskare från MIT, Duke University, Université Paris-Saclay, och Universidad do Minho, har byggt en ny typ av hålighet för grafenplasmoner genom att integrera metalliska kuber av nanometerstorlekar över ett grafenark. Deras tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att realisera den minsta optiska håligheten som någonsin byggts för infrarött ljus, baserat på dessa plasmoner.

I sitt experiment använde de nanokuber av silver på 50 nanometer stora, som ströddes slumpmässigt ovanpå grafenarket utan något specifikt mönster eller orientering. Detta gjorde att varje nanokub, tillsammans med grafen, att fungera som en enda hålighet. Sedan skickade de infrarött ljus genom enheten och observerade hur plasmonerna fortplantade sig in i utrymmet mellan metallnanokuben och grafenen, komprimeras endast till den mycket lilla volymen.

Itai Epstein, första författare till studien, säger, "Det största hindret som vi stötte på i det här experimentet låg i det faktum att ljusets våglängd i det infraröda området är mycket stort och kuberna är mycket små, cirka 200 gånger mindre, så det är extremt svårt att få dem att interagera med varandra."

För att övervinna detta, de använde ett speciellt fenomen - när grafenplasmonerna interagerade med nanokuberna, de kunde generera en magnetisk resonans. Epstein säger, "En unik egenskap hos den magnetiska resonansen är att den kan fungera som en typ av antenn som överbryggar skillnaden mellan nanokubens små dimensioner och ljusets stora skala."

Således, den genererade resonansen höll plasmonerna i rörelse mellan kuben och grafen i en mycket liten volym, som är 10 miljarder gånger mindre än volymen av vanligt infrarött ljus, något som aldrig tidigare uppnåtts i optisk inneslutning. Vidare, de kunde se att det enda grafen-kubhålet, när du interagerar med ljuset, fungerade som en ny typ av nanoantenn som kan sprida det infraröda ljuset mycket effektivt.

Resultaten av studien är extremt lovande för området molekylär och biologisk avkänning, viktigt för medicinen, bioteknik, livsmedelsinspektion och till och med säkerhet, eftersom detta tillvägagångssätt kan intensifiera det optiska fältet avsevärt och därmed detektera molekylära material, som vanligtvis svarar på infrarött ljus.

Prof. Koppens säger, "Denna prestation är av stor betydelse eftersom den tillåter oss att justera volymen av plasmonläget för att driva deras interaktion med små partiklar, som molekyler eller atomer, och kunna upptäcka och studera dem. Vi vet att de infraröda och terahertzområdena i det optiska spektrumet ger värdefull information om vibrationsresonanser hos molekyler, öppnar möjligheten att interagera och detektera molekylära material samt använda detta som en lovande avkänningsteknik."