Tous les appareils électroniques sont constitués de milliards de transistors, le bloc de construction clé inventé dans les Bell Labs à la fin des années 1940. Les premiers transistors mesuraient jusqu'à un centimètre, mais mesure maintenant environ 14 nanomètres. Il y a également eu une course pour rétrécir davantage les dispositifs qui contrôlent et guident la lumière. La lumière peut fonctionner comme un canal de communication ultra-rapide, par exemple, entre différentes sections d'une puce informatique, mais il peut également être utilisé pour des capteurs ultra-sensibles ou de nouveaux lasers nanométriques sur puce.

De nouvelles techniques sont apparues pour confiner la lumière dans des espaces extrêmement réduits, des millions de fois plus petits que ceux actuels. Les chercheurs ont précédemment découvert que les métaux peuvent comprimer la lumière en dessous de l'échelle de longueur d'onde (limite de diffraction), mais plus de confinement se ferait toujours au prix de plus de pertes d'énergie. Ce paradigme a maintenant été modifié en utilisant le graphène.

Dans une étude récente publiée dans Science , Les chercheurs de l'ICFO ont maintenant confiné la lumière dans un espace d'un atome d'épaisseur, le plus petit confinement possible. Le travail a été dirigé par ICREA Prof à ICFO Frank Koppens et réalisé par David Alcaraz, Sébastien Nanot, Itai Epstein, Dmitri Efetov, Marc Lundeberg, Romain Parret, et Johann Osmond de l'ICFO, et joué en collaboration avec l'Université du Minho (Portugal) et le MIT (USA).

L'équipe de chercheurs a utilisé des empilements (hétérostructures) de matériaux 2D, et construit un tout nouveau dispositif nano-optique, comme s'il s'agissait de Lego à l'échelle atomique. Ils ont pris une monocouche de graphène (semi-métal), et empilé dessus une monocouche (isolant) de nitrure de bore hexagonal (hBN), et au-dessus de cela déposé un réseau de tiges métalliques. Ils ont utilisé du graphène car ce matériau est capable de guider la lumière sous forme de "plasmons", qui sont des oscillations des électrons, interagissant fortement avec la lumière.

Ils ont envoyé de la lumière infrarouge à travers leurs appareils et observé comment les plasmons se sont propagés entre le métal et le graphène. Pour atteindre le plus petit espace imaginable, ils ont décidé de réduire au maximum l'écart entre le métal et le graphène pour voir si le confinement de la lumière restait efficace, par exemple. sans pertes d'énergie supplémentaires. Étonnamment, ils ont vu que même lorsqu'une monocouche de hBN était utilisée comme espaceur, les plasmons étaient encore excités par la lumière, et pourrait se propager librement tout en étant confiné dans un canal d'à peine un atome d'épaisseur. Ils ont réussi à activer et désactiver cette propagation des plasmons, simplement en appliquant une tension électrique, démontrant le contrôle de la lumière guidée dans des canaux inférieurs à un nanomètre de hauteur.

Les résultats de cette découverte permettent un tout nouveau monde de dispositifs opto-électroniques d'un nanomètre d'épaisseur seulement, tels que les commutateurs optiques ultra-petits, détecteurs et capteurs. En raison du changement de paradigme dans le confinement du champ optique, Il est désormais possible d'explorer des interactions lumière-matière extrêmes qui n'étaient pas accessibles auparavant. Ce qui est vraiment excitant, c'est que la boîte à outils lego à l'échelle atomique des matériaux 2D s'est maintenant avérée applicable à de nombreux types de dispositifs de matériaux complètement nouveaux où la lumière et les électrons peuvent être contrôlés même à l'échelle du nanomètre.