Presser la lumière dans de minuscules circuits et contrôler son flux électriquement est un Saint Graal qui est devenu un scénario réaliste grâce à la découverte du graphène. Cette réalisation alléchante est réalisée en exploitant les soi-disant plasmons, dans lequel les électrons et la lumière se déplacent ensemble comme une seule onde cohérente. Les plasmons guidés par le graphène - une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone - sont remarquables car ils peuvent être confinés à des échelles de longueur de nanomètres, jusqu'à deux cents fois en dessous de la longueur d'onde de la lumière. Un obstacle important jusqu'à présent a été la perte rapide d'énergie que subissent ces plasmons, limitant la portée sur laquelle ils pourraient se déplacer.

Ce problème est maintenant résolu, comme le montrent les chercheurs de l'ICFO (Barcelone), en collaboration avec CIC nanoGUNE (Saint-Sébastien), et CNR/Scuola Normale Superiore (Pise) , tous les membres de l'EU Graphene Flagship, et Columbia University (New York).

Depuis la découverte du graphène, de nombreux autres matériaux bidimensionnels ont été isolés en laboratoire. Un exemple est le nitrure de bore, un très bon isolant. Une combinaison de ces deux matériaux bidimensionnels uniques a fourni la solution à la quête du contrôle de la lumière dans des circuits minuscules et de la suppression des pertes. Lorsque le graphène est encapsulé dans du nitrure de bore, les électrons peuvent se déplacer de manière balistique sur de longues distances sans se disperser, même à température ambiante. Cette recherche montre maintenant que le système de matériau graphène/nitrure de bore est également un excellent hôte pour la lumière extrêmement fortement confinée et la suppression des pertes de plasmons.

Le professeur de l'ICFO Frank Koppens commente qu'« il est remarquable que la lumière se déplace plus de 150 fois plus lentement que la vitesse de la lumière, et à des échelles de longueur plus de 150 fois plus petites que la longueur d'onde de la lumière. En combinaison avec la capacité tout électrique de contrôler des circuits optiques à l'échelle nanométrique, on peut imaginer des opportunités très intéressantes pour les applications."

La recherche, réalisé par les doctorants Achim Woessner (ICFO) et Yuando Gao (Colombie) et le boursier postdoctoral Mark Lundeberg (ICFO), n'est que le début d'une série de découvertes sur les propriétés nano-optoélectroniques de nouvelles hétérostructures basées sur la combinaison de différents types de matériaux bidimensionnels. L'hétérostructure matérielle a été découverte pour la première fois par les chercheurs de l'Université de Columbia. Le professeur James Hone commente :« Le nitrure de bore s'est avéré être le « partenaire » idéal pour le graphène, et cette étonnante combinaison de matériaux continue de nous surprendre par ses performances exceptionnelles dans de nombreux domaines".

Le professeur Rainer Hillenbrand du CIC nanoGUNE commente :« Nous pouvons maintenant presser la lumière et en même temps la faire se propager sur des distances importantes à travers des matériaux à l'échelle nanométrique. À l'avenir, les plasmons de graphène à faible perte pourraient accélérer le traitement et le calcul du signal, et la détection optique plus efficace."

L'équipe de recherche a également réalisé des études théoriques. Marco Polini, du CNR/Scuola Normale Superiore (Pise) et de l'IIT Graphene Labs (Genova), élabora une théorie et effectua des calculs avec ses collaborateurs. Il explique que « selon la théorie, les interactions entre la lumière, les électrons et le système matériel sont maintenant très bien compris, même à un niveau entièrement microscopique. Il est très rare de trouver un matériau aussi propre et dans lequel ce niveau de compréhension est possible".

Ces découvertes ouvrent la voie à des circuits et dispositifs optiques extrêmement miniaturisés qui pourraient être utiles pour la détection optique et/ou biologique, le traitement de l'information ou la communication de données.