Investigadores del ICFO simplifican el estudio de los materiales van der Waals
Investigadores del ICFO han presentado en npj Nanophotonics un método empírico para caracterizar ópticamente diminutas escamas exfoliadas de materiales van der Waals. Este enfoque alternativo es accesible y sencillo de implementar en la práctica. La propuesta podría, por tanto, acelerar el descubrimiento de materiales y facilitar el diseño de muchas tecnologías fotónicas y optoelectrónicas que involucran materiales de baja dimensión, incluyendo aquellas para la detección molecular, la espectroscopia infrarroja, y las tecnologías energéticas y de gestión térmica.
Los materiales van der Waals (vdW) de baja dimensión (estructuras en capas unidas entre sí por fuerzas de van der Waals débiles) se encuentran a la vanguardia de la investigación científica en fotónica, ciencia de materiales, electrónica, espintrónica y otros campos, principalmente debido a los fenómenos altamente inusuales que estas interacciones de van der Waals pueden provocar. En particular, en frecuencias infrarrojas, los científicos han descubierto varios efectos intrigantes, como la refracción anómala, donde la luz viaja hacia atrás al refractarse.
Estos fenómenos se originan a partir de los polaritones de fonón: ondas híbridas de luz y materia que se forman cuando un fotón (una vibración cuantizada de la luz) y un fonón (una vibración cuantizada de la red atómica) se acoplan entre sí.
Los investigadores que estudian estos polaritones de fonón deben enfrentarse a una limitación experimental. Por un lado, la calidad más alta de los materiales vdW se logra mediante exfoliación mecánica, un proceso que produce pequeñas escamas de solo unas pocas decenas de micrómetros en dimensiones laterales. Por otro lado, los polaritones de fonón ocurren en frecuencias del infrarrojo medio, y los haces de luz dentro de este rango de frecuencias cubren un área grande al interactuar con una muestra, superando con creces las dimensiones de las escamas. En consecuencia, un haz de infrarrojo medio ilumina no solo la escama sino también una parte sustancial de sus alrededores, oscureciendo las características específicas del material y dificultando significativamente su caracterización óptica con métodos convencionales (por ejemplo, elipsometría espectroscópica).
Para superar este inconveniente, típicamente se ha necesitado instrumentación costosa, incluyendo láseres sintonizables y configuraciones de nanoimagen de campo cercano, que son altamente sensibles al entorno externo y pueden derivar en datos de mala calidad. Además, los enfoques anteriores debían complementarse con un extenso modelado numérico. Ahora, investigadores del ICFO, el Dr. Mitradeep Sarkar, el Dr. Michael T. Enders, el Dr. Mehrdad Shokooh-Saremi, Evgenia Klironomou, el Dr. Hanan H. Sheinfux, el Prof. ICREA Frank Koppens, dirigidos por la Prof. Georgia Papadakis, junto con el Istituto Italiano di Tecnologia y el National Institute for Materials Science (Tsukuba, Japón), han introducido un método sencillo y accesible para sondear polaritones de fonón en pequeñas escamas de materiales vdW.
La técnica propuesta, publicada recientemente en npj Nanophotonics, mide la frecuencia de la luz reflejada por la muestra y, a partir de ello, calcula su función dieléctrica. Esta describe cómo la luz se propaga a través de un material, se refleja en él o es absorbida por él y, en consecuencia, es sensible a los polaritones de fonón.
Para validar su método, los investigadores eligieron dos materiales vdW ampliamente utilizados: hBN y α-MoO₃. Mediante exfoliación mecánica, crearon múltiples escamas de diversos espesores, cuyos espectros de reflectancia se midieron utilizando una técnica convencional llamada espectromicroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier de campo lejano. Mediante esta instrumentación de laboratorio estándar, el equipo pudo determinar con precisión la función dieléctrica, dando lugar a un método significativamente más accesible y fácil de implementar en comparación con enfoques anteriores.
"Con los materiales que albergan polaritones de fonón, podemos lograr un fuerte confinamiento y manipulación de la luz a nanoescala, lo cual es importante para la nanofotónica infrarroja, la detección y la espectroscopia", explica la Prof. Georgia Papadakis del ICFO, investigadora principal del estudio. "La ventaja de nuestro enfoque reside en su simplicidad, haciendo que la caracterización de materiales de baja dimensión sea accesible en la mayoría de los laboratorios que poseen un microscopio y un espectrómetro, en lugar de una costosa instrumentación de nanoimagen. Esto podría, a su vez, acelerar el descubrimiento de nuevos materiales".
Referencia:
Sarkar, M., Enders, M.T., Shokooh-Saremi, M. et al. Far-field extraction of the dielectric function of exfoliated flakes near phonon resonances. npj Nanophoton. 3, 11 (2026).
DOI: https://doi.org/10.1038/s44310-026-00106-8
Agradecimientos:
This work has been supported in part by la Caixa Foundation (ID 100010434), the Spanish MICINN (PID2021-125441OA-I00, PID2020-112625GB-I00, and CEX2019-000910-S), the European Union (fellowship LCF/BQ/PI21/11830019 under the Marie Skłodowska-Curie Grant Agreement No. 847648), Generalitat de Catalunya (2021 SGR 01443), Fundació Cellex, and Fundació Mir-Puig and the European Union (CATHERINA, 101168064). M.T.E. acknowledges support fromMCIN/AEI/10.13039/501100011033 (PRE2020-094401) and FSE ``El FSE invierte en tu futuro''. K.W. and T.T. acknowledge support from the JSPS KAKENHI (Grant Numbers 21H05233 and 23H02052), the CREST (JPMJCR24A5), JST and World Premier International Research Center Initiative (WPI), MEXT, Japan.