Dalam sebuah studi terbaru yang dipublikasikan di Science, para peneliti di ICFO – Lembaga Ilmu Pengetahuan Foton di Barcelona, Spanyol, bersama dengan anggota lain dari Graphene Flagship, mencapai tingkat tertinggi dari pengurungan cahaya. Mereka telah mampu membatasi cahaya hingga seukuran satu atom tunggal, terkecil yang pernah ada.
Ini akan membuka semua jenis kemungkinan untuk perangkat elektronik, sensor, dan perangkat pencitraan di masa depan, berpotensi menghadirkan chip komputer dan sensor laser yang jauh lebih kecil daripada apa pun yang digunakan saat ini.
Cahaya dapat berfungsi sebagai saluran komunikasi ultra-cepat, misalnya antara bagian yang berbeda dari chip komputer, tetapi juga dapat digunakan untuk sensor ultra-sensitif atau laser nano skala besar. Saat ini banyak penelitian tentang bagaimana untuk mengecilkan perangkat yang mengontrol dan memandu cahaya.
Teknik-teknik baru telah diupayakan dalam pencarian cara untuk membatasi cahaya menjadi ruangan yang sangat kecil, yang jauh lebih kecil daripada yang sekarang, dan telah mengalami peningkatan. Para peneliti sebelumnya menemukan bahwa logam dapat memadatkan cahaya di bawah skala panjang gelombang (batas difraksi), tetapi pengurungan yang lebih banyak akan selalu mengorbankan lebih banyak energi yang hilang. Masalah mendasar ini sekarang telah diatasi.
“Graphene terus mengejutkan kita: tidak ada yang berpikir bahwa membatasi cahaya ke batas satu atom menjadi memungkinkan. Ini akan membuka kumpulan aplikasi yang benar-benar baru, seperti komunikasi optik dan penginderaan pada skala di bawah satu nanometer,” kata Profesor ICREA Frank Koppens di ICFO – The Institute of Photonic Sciences di Barcelona, Spanyol, yang memimpin penelitian.
Tim peneliti ini termasuk yang berasal dari ICFO (Spanyol), Universitas Minho (Portugal) dan MIT (AS) menggunakan tumpukan bahan dua dimensi, yang disebut heterostructures, untuk membangun perangkat nano-optik baru. Mereka menggunakan graphene monolayer (yang bertindak sebagai semi-metal), dan menumpuk ke atasnya heksagonal boron nitrida (hBN) monolayer (isolator), dan di atas ini disimpan susunan batang logam. Mereka menggunakan graphene karena dapat memandu cahaya dalam bentuk plasmon yang merupakan osilasi elektron, berinteraksi kuat dengan cahaya.
“Awalnya kami mencari cara baru untuk membangkitkan plasmons graphene. Selama perjalanan, kami menemukan bahwa pengurungan lebih kuat dari sebelumnya dan kerugian dapat diminimal. Jadi kami memutuskan untuk lakukan hingga mencapai batas satu atom dengan hasil yang mengejutkan,” kata David Alcaraz Iranzo, penulis utama dari ICFO.
Biasanya, cahaya tidak dapat difokuskan pada titik yang lebih kecil dari panjang gelombangnya sendiri, sebuah penghalang yang dikenal sebagai batas difraksi.
Para ilmuwan telah mencoba untuk menerobos batas ini menggunakan kurungan logam berskala nano untuk memandu foton cahaya, tetapi sejauh ini pembatasan telah menyebabkan terlalu banyak kehilangan energi.
Tidak begitu dalam kasus ini. Para peneliti menggunakan tumpukan bahan 2D yang disebut heterostructures untuk membangun perangkat nano-optik baru, menambahkan monolayer graphene untuk bertindak sebagai semi-metal karena cara itu dapat memandu cahaya dalam bentuk plasmon .
Plasmons adalah osilasi elektron yang berinteraksi kuat dengan cahaya, dan oleh karena itu dapat digunakan untuk memandunya. Di atas graphene, tim menumpuk monolayer boron nitrida heksagonal (hBN) sebagai isolator, dan kemudian susunan batang logam.
Ketika cahaya inframerah dikirim melalui perangkat peneliti, plasmons dikumpulkan antara logam dan graphene. Tim terus menyusuti ruang ini sampai dicapai hanya setebal satu atom – dan menemukan plasmon masih bergetar dan masih bisa merambat dengan bebas.
Penyebaran plasmons dapat dikontrol dengan menyalakan atau mematikan tegangan listrik, menunjukkan bagaimana cahaya dapat dimanipulasi dalam saluran kurang dari ukuran setebal nanometer.
Untuk membuatnya berbeda dalam switch optik, sensor, dan detektor, segala sesuatu yang lain di dalam sebuah perangkat akan perlu diturunkan juga, tetapi penelitian ini menunjukkan bahwa cahaya dapat terkandung dalam saluran terkecil.
Pekerjaan sudah berjalan dengan baik untuk mengembangkan transistor berbasis cahaya – unit listrik kecil yang menggerakkan gadget hari ini – dan pengembangan baru ini membuka kemungkinan pengurangan ukuran signifikan dan peningkatan kecepatan.
Lebih lanjut, produsen harus dapat mengemas lebih banyak transistor ke ruang yang sama (meningkatkan kinerja) atau menempatkan jumlah transistor yang sama ke ruang yang lebih kecil (mengurangi ukuran), atau campuran keduanya.
“Setelah mencapai batas akhir dari pengurungan cahaya dapat menyebabkan perangkat baru dengan dimensi terkecil yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Andrea C. Ferrari dari inisiatif penelitian Flagship Unggulan, yang tidak terlibat langsung dalam penelitian.
