Una célula solar de silicio recolecta la energía del sol a medida que la luz viaja hacia abajo a través del silicio absorbente de luz. Para reducir el peso y el costo, las celdas solares son delgadas, y mientras que el silicio absorbe bien la luz visible, captura menos de la mitad de la luz en el espectro del infrarrojo cercano, que constituye un tercio de la energía del sol. La profundidad del material limita la absorción. Pero, ¿qué pasaría si la luz dentro de la célula pudiera canalizarse horizontalmente de modo que el silicio pudiera absorber su energía a lo largo de la anchura de la célula en lugar de su profundidad?

Con tal avance en mente, Shawn-Yu Lin, profesor de física, física Aplicada, y astronomía en el Instituto Politécnico Rensselaer, ha construido una nanoestructura cuya celosía cristalina dobla la luz a medida que ingresa al material y la dirige en un camino paralelo a la superficie, conocido como "paralelo a la refracción de la interfaz". La estructura está construida con nanotubos superpuestos y se asemeja a una cuadrícula tridimensional hecha de Lincoln Logs. Los nanocristales fotónicos construidos con este proceso permiten una "captura de luz" extrema y podrían tener aplicaciones desde células solares de película delgada hasta funciones fotoquímicas como detección y división del agua.

"Estos resultados prueban que este efecto existe, que si sigues mis pautas de simple simetría cúbica, puede doblar la luz en 90 grados. El cristal fotónico fuerza a la luz a doblarse de manera determinista, en lugar de efectos superficiales o de dispersión aleatoria, ", dijo Lin." Este es un nuevo tipo de interacción luz-materia que se encuentra en el corazón de lo que se pretende hacer con la captura de luz ".

En resultados experimentales, que aparecen en Informes científicos , Lin creó un cristal fotónico utilizando dióxido de titanio, un material con una débil absorción de luz visible, para demostrar el éxito del efecto. Los resultados usando un nanocristal fotónico de dióxido de titanio de 900 nanómetros de espesor mostraron una absorción mejorada de uno a dos órdenes de magnitud mayor que una película de referencia del mismo material para algunas regiones. Lin construyó el nanocristal, primero en silicio, ahora en dióxido de titanio, según las predicciones teóricas de su colaborador, Sajeev John, físico de la Universidad de Toronto.

La captura de luz describe el proceso de confinar la luz a un espacio dado, generalmente con la intención de convertirlo en otras formas de energía. En un enfoque, los materiales están diseñados para ralentizar la luz, para que pase más tiempo en el material. En el enfoque que utilizó Lin, la luz se desvía de su camino dado, haciéndolo viajar una distancia más larga dentro del material, en este caso, el ancho completo de una oblea de dióxido de titanio.

La luz siempre se dobla un poco al entrar en un material con un índice óptico diferente, algo que se ve fácilmente cuando la luz entra en el agua. En agua, y muchos otros materiales, la luz se dobla solo ligeramente. La disposición de los átomos en el cristal de dióxido de titanio que Lin creó coincide con la escala de longitudes de onda de luz visible, dispersando la luz en múltiples puntos en el espacio simultáneamente a medida que se mueve hacia el enrejado. Como consecuencia, la luz no puede moverse como lo hace a través del espacio o cualquier medio continuo. En lugar de, se dobla en un ángulo obtuso, un fenómeno conocido como "refracción negativa", y se canaliza a lo ancho del material.

Para manipular el flujo de luz visible, con longitudes de onda que oscilan entre 400 y 700 nanómetros, Lin fue pionero en un método para construir un cubo de nanotubos perfectamente simétrico para que coincida con la escala de la luz. Primero, se deposita una capa de dióxido de titanio sobre un sustrato. Luego, se deposita una fina capa de dióxido de cromo que sirve como máscara para un proceso fotolitográfico que graba líneas en el dióxido de titanio. Una vez completado, se utiliza un disolvente para eliminar el dióxido de cromo restante, completando la primera capa de "registros". Para construir capas adicionales, se deposita una capa de dióxido de silicio para llenar las cavidades entre los troncos, la superficie está pulida hasta la parte superior de la primera capa, y todo el proceso se repite en un ángulo preciso de 90 grados desde la primera capa.

Una capa del material tiene menos de una millonésima parte de un metro o micra de espesor, pero fue producido en obleas de 100 milímetros de ancho, dando el material hasta 100, 000 veces el espacio para absorber la luz.

"Este descubrimiento demuestra una gran mejora en la longitud de la trayectoria cuando se usa un material que tiene una absorción muy baja. Su descubrimiento cambia el nombre del juego de absorbido verticalmente, para absorberse horizontalmente en una estructura superdelgada, "dijo Lin.

A Lin y John se unieron en su investigación los asociados de investigación postdoctoral de Rensselaer Brian J. Frey y Ping Kuang, y Mei-Li Hsieh de la Universidad Nacional Chiao-Tung en Tiawan, y Jian-Hua Jiang, de la Universidad de Soochow en China. "La longitud de la trayectoria óptica efectivamente infinita creada utilizando un cristal fotónico cúbico simple para atrapar luz extrema" se publica en Informes científicos .

La investigación de Lin cumple con The New Polytechnic, un paradigma emergente para la educación superior que reconoce que los desafíos y oportunidades globales son tan grandes que no pueden ser abordados adecuadamente ni siquiera por la persona más talentosa que trabaja sola. Rensselaer sirve como una encrucijada para la colaboración:trabajar con socios en todas las disciplinas, sectores, y regiones geográficas:para abordar desafíos globales complejos, utilizando las herramientas y tecnologías más avanzadas, muchos de los cuales se desarrollan en Rensselaer. La investigación en Rensselaer aborda algunos de los desafíos tecnológicos más urgentes del mundo, desde la seguridad energética y el desarrollo sostenible hasta la biotecnología y la salud humana. La Nueva Politécnica es transformadora en el impacto global de la investigación, en su pedagogía innovadora, y en la vida de los estudiantes de Rensselaer.