Físicos de España y Reino Unido han calculado que el grafeno -una capa de carbono de sólo un átomo de espesor- se podría utilizar para crear un amortiguador perfecto de la luz si se refleja en una matriz periódica. El trabajo podría conducir a la mejora en dispositivos de detección de luz, particularmente en la parte infrarroja del espectro electromagnético, donde las tecnologías actuales luchan por funcionar.
La afirmación es extraordinaria ya que los materiales convencionales normalmente deben ser de miles de átomos de espesor para absorber la luz por completo. “La predicción de que una capa de material de un solo átomo de grosor pueda absorber la luz es notable y emocionante”, dice el líder del equipo F Javier García de Abajo, del Instituto de Óptica en Madrid.
“La capa en cuestión es un patrón de grafeno de una matriz periódica de nanodiscos”, explica García de Abajo. La estructura absorbe la luz de tenerlo confinada en regiones que son cientos de veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Esto se hace mediante la explotación de los plasmones que se producen dentro de estructuras de nanodiscos individuales. Los plasmones son oscilaciones colectivas cuantificadas de electrones dentro de un nanodisco y que interactúan fuertemente con la luz.
El confinamiento de la luz en el grafeno es posible sólo si el material está cargado eléctricamente. Y la longitud de onda en que la luz puede ser confinada y absorbida depende de la cantidad de material que esté cargado. También conocido como dopaje, ya que tiene un efecto similar a la de la introducción de impurezas en semiconductores convencionales, la carga es fácil de lograr mediante la colocación de electrodos cerca del grafeno. La cantidad de carga en sí puede ser controlada mediante la variación de la tensión aplicada a los electrodos.
En sus cálculos, el equipo estudió la forma en que el patrón del grafeno absorbe la luz en el corto y mediano rango del infrarrojo del espectro electromagnético. Los investigadores dicen que sería fácil extender sus resultados a otros rangos de longitud de onda, hacia el infrarrojo medio y el régimen de terahercios, por ejemplo, mediante la aplicación directa de las ecuaciones analíticas que se emplean. “Todas estas regiones espectrales son especialmente interesantes, con aplicaciones potenciales en imagen, detección y detección”, dice García de Abajo. “Necesitamos una buena absorción de luz y dispositivos en este rango de longitudes de onda, porque los detectores existentes funcionan mal. Nuestro trabajo aún puede proporcionar una manera de salvar esta infame brecha de terahertzios.”
Los investigadores dicen que los nanodiscos son capaces de absorber grandes cantidades de luz debido a que estas estructuras de grafeno individuales están dispuestas a una distancia bien definida entre sí. Si están demasiado cerca, la luz puede ser re-emitida hacia atrás y puede ser reflejada. Por otra parte, no es suficientemente bien absorbida si los nanodiscos se colocan demasiado lejos. Un efecto similar se puede obtener con otros patrones de grafeno, específicamente con cintas, que los investigadores dicen que son más fáciles de dopar.
La luz también produce campos inducidos, cerca de los nanodiscos. Estos campos se componen de ondas evanescentes -ondas electromagnéticas que decaen exponencialmente fuera de una estructura. “El mecanismo no es tanto un efecto de difracción en el sentido de la onda clásica en la que dos o más ondas que se propagan interfieren y forman patrones de tamaño limitado a la mitad de la longitud de onda de la luz”, explica García de Abajo. “En lugar de ello consiste en un acoplamiento crítico.”
El equipo, que incluye a científicos de ICFO en Barcelona y del Centro de Investigación Optoelectrónica de la Universidad de Southampton, planean ahora explorar otros efectos ópticos extraordinarios en el grafeno; posiblemente hasta el límite cuántico con estudios sobre los efectos de los fotones individuales. “También esperamos analizar materiales alternativos, como aislantes topológicos, que pueden producir efectos similares”, revela García de Abajo.
El trabajo se describe en Phys.. Rev. Lett. 108 047 401.
Autor: Belle Dumé
Enlace original: Graphene could be a perfect absorber of light
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