Valon ohjausta atomien mitoissa

Tietotekniikan tehostamiseen haetaan apua valon käytöstä. Valo voi toimia erittäin nopeana tietoliikennekanavana, esimerkiksi tietokonesirun eri osien välillä, mutta sitä voidaan hyödyntää myös erittäin herkille antureille tai uusille nanokokoisille lasereille.

Tiedemaailmassa on etsitty tapoja rajoittaa valoa erittäin pieniin tiloihin. Esimerkiksi metallit voivat pakata valoa alle aallonpituuden mittoihin (diffraktiorajoitus) mutta tehokkaampi rajoittaminen kustantaa yhä enemmän energiahäviöitä.

Tästä ongelmasta on nyt päästy käyttämällä grafeenia. Fotoniikkaan erikoistuneen ICFO instituutin tutkijat yhdessä MIT:n ja portugalilaisen Minhon yliopiston kanssa pystyvät rajoittamaan ja ohjaamaan valoa yhden atomin paksuiseen ulottuvuuteen.

Tutkijaryhmä rakensi 2D-materiaalien heterorakenteista uudenlaisen nano-optisen rakenteen. Grafeenikerroksen päälle he liittivät boorinitridikerroksen (hBN) ja tämän päälle sijoitettiin ryhmä metallitankoja.

Grafeenia käytettiin koska se pystyy siirtämään valoa "plasmonien" muodossa. Kun rakenteen läpi syötettiin infrapunavaloa, havainnoivat osoittivat plasmonien etenevän metallin ja grafeenin välissä. Pienimmän mahdollisen tilan saavuttamiseksi tutkijat kutistivat metallin ja grafeenin välistä kuilua, jotta nähtäisiin, pysyikö valon rajoittuminen tehokkaana ilman ylimääräistä energiahäviötä.

Tutkijoiden hämmästykseksi nähtiin, että vaikka hBN-kerrosta käytettiin välikappaleena, plasmonit olivat edelleen valon virittämiä ja saattoivat edetä vapaasti samalla kun ne olivat rajoittuneita vain atomin paksuiseen kanavaan.

Lisäksi plasmonin etenemisen saattoi kytkeä päälle tai pois yksinkertaisesti jännitteen avulla mikä osoitti valon ohjausta kanavissa, jotka ovat pienempiä kuin yhden nanometrin korkuisia.

Tämän havainnon tulokset mahdollistavat aivan uudenlaiset optoelektroniset rakenteet, jotka ovat vain yhden nanometrin paksuisia, kuten pienikokoiset optiset kytkimet, ilmaisimet ja anturit.

Uudenlainen 2D-materiaalien atomitasoinen rakenneratkaisu on myös osoittautunut sovellettavaksi monenlaisille täysin uusin materiaalien rakenteille, joissa sekä valoa että elektronia voidaan ohjata jopa nanometrien mitoituksissa.