小型化使智能手机、健康手表、医疗探头和纳米卫星等技术成为可能，这在几十年前都是不可想象的。试想一下，在 60 年的时间里，晶体管从手掌大小缩小到 14 纳米，比头发的直径小 1000 倍。
小型化将技术推向了光电路的新时代。但与此同时，它也引发了新的挑战和障碍，例如在纳米尺度上控制和引导光。研究人员正在寻找将光限制在极小的空间中的技术，这些空间比目前的空间小数百万倍。早先的研究发现，金属可以将光压缩到波长范围(衍射极限)以下。
在这方面，石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，具有出色的光学和电学特性，能够以等离子体激元的形式引导光，等离子体是与光强烈相互作用的电子振荡。这些石墨烯等离子体具有将光限制在非常小的空间内的天然能力。然而，直到现在，只能将这些等离子体激元限制在一个方向上，而光与原子和分子等小粒子相互作用的实际能力存在于它可以被压缩的体积中。在所有三个维度上的这种类型的限制通常被认为是光学腔。
在最近发表在《科学》杂志上的一项研究中，ICFO 研究人员 Itai Epstein、David Alcaraz、Varum-Varma Pusapati、Avinash Kumar、Tymofiy Khodkow 由 ICFO Frank Koppens 的 ICREA 教授领导，与麻省理工学院、杜克大学、巴黎大学的研究人员合作 – Saclay 和 Universidad do Minho 通过在石墨烯片上集成纳米尺寸的金属立方体，为石墨烯等离子体构建了一种新型腔。他们的方法使他们能够实现基于这些等离子体激元的有史以来最小的红外光光学腔。
在他们的实验中，他们使用了 50 纳米大小的银纳米立方体，将其随机撒在石墨烯片的顶部，没有特定的图案或方向。这允许每个纳米立方体与石墨烯一起充当单个腔。然后他们通过设备发送红外光并观察等离子体如何传播到金属纳米立方体和石墨烯之间的空间中，仅被压缩到非常小的体积。
该研究的第一作者 Itai Epstein 说：“我们在这个实验中遇到的主要障碍在于红外范围内的光波长非常大，而立方体非常小，大约小 200 倍，因此让他们彼此互动是极其困难的。”
为了克服这一点，他们使用了一种特殊现象——当石墨烯等离子体与纳米立方体相互作用时，他们能够产生磁共振。爱泼斯坦说：“磁共振的一个独特特性是它可以作为一种天线，弥合纳米立方体的小尺寸和大尺寸光之间的差异。”
因此，产生的共振使等离子体在立方体和石墨烯之间移动的体积非常小，比常规红外光的体积小 100 亿倍，这在光学限制中是前所未有的。此外，他们能够看到单个石墨烯立方体腔在与光相互作用时充当一种新型纳米天线，能够非常有效地散射红外光。
这项研究的结果对于分子和生物传感领域非常有前景，对医学、生物技术、食品检验甚至安全都很重要，因为这种方法能够显着增强光场，从而检测通常对红外线。
Koppens 教授说：“这一成就非常重要，因为它使我们能够调整等离子体模式的体积以驱动它们与小粒子(如分子或原子)的相互作用，并能够检测和研究它们。我们知道光谱的红外和太赫兹范围提供了关于分子振动共振的宝贵信息，开启了相互作用和检测分子材料的可能性，并将其用作一种有前途的传感技术。”