Una nueva forma de mejorar las interacciones entre la luz y la materia, desarrollada por investigadores del MIT y el Technion de Israel, algún día podría conducir a células solares más eficientes que recolectan un rango más amplio de longitudes de onda de luz y nuevos tipos de láseres y diodos emisores de luz (LEDs) ) que podría tener emisiones de color totalmente sintonizables.
El principio fundamental detrás del nuevo enfoque es una forma de obtener el impulso de las partículas de luz, llamadas fotones, para que se asemejen más a las de los electrones, que normalmente son muchos órdenes de magnitud mayores. Debido a la enorme disparidad en el impulso, estas partículas generalmente interactúan muy débilmente; El acercamiento de sus momenta permite un control mucho mayor sobre sus interacciones, lo que podría permitir nuevos tipos de investigación básica sobre estos procesos, así como una gran cantidad de nuevas aplicaciones, dicen los investigadores.
Los nuevos hallazgos, basados en un estudio teórico, se publican hoy en la revista Nature Photonics en un artículo de Yaniv Kurman de Technion (el Instituto de Tecnología de Israel, en Haifa); El estudiante graduado del MIT Nicholas Rivera; Postdoc del MIT Thomas Christensen; John Joannopoulos, profesor de Física de Francis Wright Davis en el MIT; Marin Soljačić, profesor de física en el MIT; Ido Kaminer, profesor de física en Technion y ex postdoc del MIT; y Shai Tsesses y Meir Orenstein en Technion.
Si bien el silicio es una sustancia de gran importancia como base para la mayoría de los productos electrónicos actuales, no es adecuado para aplicaciones que involucran luz, como LED y células solares, a pesar de que actualmente es el principal material utilizado para las células solares a pesar de su baja eficiencia, dice Kaminer. Mejorar las interacciones de la luz con un material electrónico importante como el silicio podría ser un hito importante hacia la integración de la fotónica (dispositivos basados en la manipulación de ondas de luz) con chips semiconductores electrónicos.
La mayoría de las personas que investigan este problema se han centrado en el silicio en sí, dice Kaminer, pero «este enfoque es muy diferente: estamos tratando de cambiar la luz en lugar de cambiar el silicio». Kurman agrega que «las personas diseñan la materia a la luz» interacciones de materia, pero no piensan en diseñar el lado de la luz «.
Una forma de hacerlo es disminuyendo o disminuyendo la luz lo suficiente como para reducir drásticamente el impulso de sus fotones individuales, para acercarlos a los de los electrones. En su estudio teórico, los investigadores demostraron que la luz podía reducirse en un factor de mil al pasarla a través de un tipo de material de película delgada de capas múltiples recubierto con una capa de grafeno. El material estratificado, hecho de arseniuro de galio y capas de arseniuro de indio y galio, altera el comportamiento de los fotones que pasan a través de él de una manera altamente controlable. Esto permite a los investigadores controlar la frecuencia de las emisiones del material hasta en un 20 a 30 por ciento, dice Kurman, que es el autor principal del artículo.
La interacción de un fotón con un par de partículas con carga opuesta, como un electrón y su correspondiente «agujero», produce una cuasipartícula llamada plasmón, o un plasmón-polaritón, que es un tipo de oscilación que tiene lugar en un material exótico. como los dispositivos en capas bidimensionales utilizados en esta investigación. Dichos materiales «soportan oscilaciones electromagnéticas en su superficie, muy restringidas» dentro del material, dice Rivera. Este proceso efectivamente reduce las longitudes de onda de la luz en órdenes de magnitud, dice, y lo reduce «casi a la escala atómica».
Debido a esa contracción, la luz puede ser absorbida por el semiconductor o emitida por él, dice. En el material a base de grafeno, estas propiedades pueden controlarse directamente simplemente variando el voltaje aplicado a la capa de grafeno. De esa manera, «podemos controlar totalmente las propiedades de la luz, no solo medirla», dice Kurman.
Aunque el trabajo todavía se encuentra en una etapa temprana y teórica, los investigadores dicen que en principio este enfoque podría conducir a nuevos tipos de células solares capaces de absorber un rango más amplio de longitudes de onda de luz, lo que haría que los dispositivos sean más eficientes para convertir la luz solar . También podría conducir a dispositivos de producción de luz, como láseres y LED, que podrían sintonizarse electrónicamente para producir una amplia gama de colores. «Esto tiene una capacidad de ajuste que está más allá de lo que está disponible actualmente», dice Kaminer.
«El trabajo es muy general», dice Kurman, por lo que los resultados deberían aplicarse a muchos más casos que los específicos utilizados en este estudio. «Podríamos usar muchos otros materiales semiconductores y algunos otros polaritons de materia ligera». Si bien este trabajo no fue hecho con silicio, debería ser posible aplicar los mismos principios a los dispositivos basados en silicio, dice el equipo. «Al cerrar la brecha de impulso, podríamos introducir el silicio en este mundo» de dispositivos basados en plasmones, dice Kurman.
Debido a que los hallazgos son tan nuevos, dice Rivera, «deberían permitir una gran cantidad de funcionalidades que aún no conocemos».
Frank Koppens, profesor de física en el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, que no participó en esta investigación, dice que «la calidad de este trabajo es muy alta, y un resultado bastante ‘inmediato’. «Añade que este trabajo es» altamente significativo, ya que es una ruptura clara con la visión convencional sobre las interacciones entre el emisor y la luz «. Dado que el trabajo hasta ahora es teórico, dice,» la pregunta principal será si este efecto es visible «. en experimentos. Sin embargo, estoy convencido de que se mostrará pronto «.
Koppens dice que «uno puede imaginar muchas aplicaciones, como emisores de luz más eficientes, células solares, fotodetectores, etc. ¡Todo integrado en un chip! También es una nueva forma de controlar el color de un emisor de luz, y estoy seguro de que habrá aplicaciones en las que ni siquiera pensamos «.
Materiales proporcionados por Massachusetts Institute of Technology.
