Nazioarteko talde batek argiaren gidaketa frogatu du nanoeskalan, lodiera atomikoko hiru geruza biratuz

Argiaren eta lodiera atomikoa edo nanometrikoa —giza ilea baino 100.000 aldiz txikiagoa— duten materialen arteko interakzioak aukera interesgarriak eskaintzen ditu etorkizuneko teknologia berrietarako. Adibidez, zirkuitu integratuetarako, konputazio optikorako eta biosentsoreetarako diseinu berritzaileak. Berrikuntza horien eragina era askotako arloetara iristen da, hala nola telekomunikazioetara eta zientzia biomedikoetara. Orain, Oviedoko Unibertsitateko Nanooptika Kuantikoko Taldea eta Nanomaterialen eta Nanoteknologiaren Ikerketa Zentroa (CINN-CSIC) buru dituen nazioarteko ikerketa-talde batek, Donostia International Physics Centerreko (DIPC) 2D Nanofotonikako Taldearekin batera, urrats esanguratsua egin du. Nature Materials zientzia-aldizkari entzutetsuan argitaratu den azterketa batek erakutsi du posible dela argia nanoeskala birkonfiguratzea eta kanalizatzea edozein norabidetan eta eskaripean.

Aurkikuntza horren erdian daude material bidimentsional (2D) izenez ezagutzen direnak. Oso material finez osatutako familia bat, atomo gutxi batzuetako lodiera baino ez duena; eta oso interesgarriak dira, propietate bereziak baitituzte askoz material lodiagoen aldean. Adibidez, oso erresistentzia handia, malgutasun handia eta eroankortasun elektriko eta termiko handia izan dezakete, eta, horri esker, oso modu efizientean eroan dezakete hala elektrizitatea nola beroa. Gainera, xafla horiek material desberdinez osatutako egituretan pilatu daitezke; hala, material horien propietateak konbinatuz, funtzio anitzeko heteroegiturak fabrikatu daitezke.

Zehazki, 2020. urtean, nazioarteko lau ikerketa-taldek —haien artean, Oviedoko Unibertsitateko Nanooptika Kuantikoaren Taldea dago— goitik behera aldatu zuten argiaren manipulazioa nanoeskalan (nanoargia), 2D material horien geruzak konbinatuta. Talde horiek ikusi zuten nanoargiaren hedapenaren propietate batzuk aldatu egin daitezkeela geruzak bata bestearen gainean jarrita, eta, gainera, geruzen arteko lerrokatze eta orientazio zehatzak ere eginkizun erabakigarria duela. Esperimentuetan erabilitako material baten —molibdeno trioxidoaren (MoO3)— bi xafla oso fin bata bestearen gainean jarrita eta haietako bat bestearekiko angelu jakin bat birarazita, "angelu magiko" deritzona, ikertzaileek behatu zuten nanoargia norabide bakarrean hedatzen dela, hau da, "kanalizatzen" dela. "Modu intuitiboan, argirako kable edo gidari natural gisa ikus daiteke hori nanoeskalan", dio Jiahua Duan-ek, 2020an egindako lau azterlanetako baten egile nagusi eta Oviedoko Unibertsitateko ikertzaileak. Esperimentu berritzaile horiek ikerketa-eremu berri baterako oinarriak ezarri zituzten: "twistoptika” da, zeinaren helburu nagusia baita argia eskala nanometrikoan gidatzea eta manipulatzea, material bidimentsionalen geruzak bata bestearen gainean jarrita, baina beren artean angelu jakin bat birarazita daudela.

Orain, Oviedoko Unibertsitateko Nanooptika Kuantikoko Taldea eta Nanomaterialen eta Nanoteknologiaren Ikerketa Zentroa (CINN-CSIC) buru dituen nazioarteko ikertzaile-talde batek, Donostia International Physics Center (DIPC) zentroko 2D Nanofotonikako Taldearekin batera, aurrerapauso nabarmena eman du twistoptikaren eremuan. Nature Materials zientzia-aldizkari entzutetsuan argitaratutako azterlan batean, frogatu dute argia edozein norabidetan birkonfigura eta kanaliza daitekeela nanoeskalan. Esperimentuetan, elkarren gainean jarritako MoO3-zko hiru geruza erabili zituzten zientzialariek, eta behin eta berriz aldatu zituzten haien arteko angeluak; hala, berrantolatu egiten zituzten lortutako geruza hirukoitzak. Tamaina nanometrikoko antena bat erabiliz argia kitzikatzean, argiaren hedapena nanoeskalan nahierara kontrolatzea lortu zuten. Biratutako geruza bikoitzetan, angelu bakar bat dago argia norabide batean kanalizatzeko aukera ematen duena; geruza hirukoitzek, berriz, angelu “magiko” ugari dituzte, argia edozein norabidetan nahierara bideratzeko. Eta bada interesgarriagorik ere: geruza hirukoitzetako angelu magikoak —eta, beraz, kanalizazio-norabideak— egonkorrak dira energia-tarte zabal batean, eta hori funtsezkoa da fenomeno optiko horren aplikazio teknologikorako.

"Geruza hirukoitzetan nanoargiaren kanalizazioa hain espektro-tarte zabalean ikustea benetako ustekabea izan zen. Sistema biratu horietan hirugarren xafla bat gehitzeak, dirudienez, hasieran pentsa dezakegun baino ondorio fisiko sakonagoak ditu", dio Pablo Alonso González Oviedoko Unibertsitateko Nanooptika Kuantikoaren Taldeko buruak. "Material horietako geruza hirukoitzetan angelu magiko bat baino gehiago egoteak eta angelu horiek espektralki sendoak izateak aukera ematen digu argia eskala nanometrikoan inoiz ez bezala kontrolatzeko", erantsi du Gonzalo Álvarez Pérez-ek, talde bereko doktoratu aurreko ikertzaile eta artikuluaren lehen egilekideak. “Kanalizazioaren norabidea egitura berri bat mihiztatu gabe, goiko geruza pixka bat birarazte hutsarekin, nahierara aldatzeko gaitasunak hurrengo mailara darama twistoptika”, dio Kirill Voronin-ek, DIPCko 2D Nanofotonika Taldeko doktoratu aurreko ikertzaileak.

Beraz, aurrerapen honek aukera berriak zabaldu ditu eskala nanometrikoan argia gailu eta aplikazioetan manipulatzeko. "Argiaren kanalizazio sendoa zirkuitu optiko ultratrinkoak garatzeko erabil liteke, baita beste aplikazio batzuetan ere, hala nola biosentsoreetan, beroaren kudeaketan eta komunikazio-teknologietan", dio Christian Lanzak, Oviedoko Unibertsitateko Nanooptika Kuantikoaren Taldeko doktoratu aurreko ikertzaile eta lanaren lehen egilekideak.

Erreferentzia

“Multiple and spectrally robust photonic magic angles in reconfigurable α-MoO3 trilayers” J. Duan, G. Álvarez-Pérez, C. Lanza, K. Voronin, A.I.F. Tresguerres- Mata, N. Capote-Robayna, J. Álvarez-Cuervo, A. Tarazaga Martín-Luengo, J. Martín-Sánchez, V.S. Volkov, A.Y. Nikitin, and P. Alonso-González. Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01582-5

Instituzioak

• Fisika Departamentua, Oviedoko Unibertsitatea.
• Nanomaterialen eta Nanoteknologiaren Ikerketa Zentroa, CINN (CSIC-Oviedoko Unibertsitatea).
• Donostia International Physics Center (DIPC).
• Centre for Quantum Physics, Key Laboratory of Advanced Optoelectronic Quantum Architecture and Measurement (MOE), School of Physics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China.
• Beijing Key Laboratory of Nanophotonics & Ultrafine Optoelectronic Systems, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China.