Una nueva forma de potenciar las interacciones entre la luz y la materia, desarrollado por investigadores del MIT y del Technion de Israel, algún día podría conducir a células solares más eficientes que recojan una gama más amplia de longitudes de onda de luz, y nuevos tipos de láseres y diodos emisores de luz (LED) que podrían 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, llamados fotones, para coincidir más estrechamente con el de los electrones, que normalmente es muchos órdenes de magnitud mayor. Debido a la enorme disparidad de impulso, estas partículas suelen interactuar muy débilmente; acercar sus momentos permite un control mucho mayor sobre sus interacciones, lo que podría permitir nuevos tipos de investigación básica sobre estos procesos, así como una serie de nuevas aplicaciones, dicen los investigadores.

Los nuevos hallazgos, basado en un estudio teórico, se publican hoy en la revista Fotónica de la naturaleza en un artículo de Yaniv Kurman de Technion (el Instituto de Tecnología de Israel, en Haifa); El estudiante graduado del MIT, Nicholas Rivera; Postdoctorado del MIT Thomas Christensen; John Joannopoulos, el profesor de física Francis Wright Davis en el MIT; Marin Soljacic, profesor de física en el MIT; Ido Kaminer, profesor de física en Technion y ex postdoctorado del MIT; y Shai Tsesses y Meir Orenstein en Technion.

Si bien el silicio es una sustancia sumamente importante como base de la mayoría de la electrónica actual, no es adecuado para aplicaciones que involucran luz, como los LED y las células solares, aunque actualmente es el principal material utilizado para las células solares a pesar de su baja eficiencia, Kaminer dice. 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 propio silicio, Kaminer dice:pero "este enfoque es muy diferente:estamos tratando de cambiar la luz en lugar de cambiar el silicio". Kurman agrega que "la gente diseña la materia en interacciones luz-materia, pero no piensan en diseñar el lado luminoso ".

Una forma de hacerlo es reducir la velocidad, o encogiéndose, la luz lo suficiente como para reducir drásticamente el impulso de sus fotones individuales, para acercarlos al de los electrones. En su estudio teórico, Los investigadores demostraron que la luz podría ralentizarse en un factor de mil al pasarla a través de una especie de material de película delgada de varias capas superpuesta con una capa de grafeno. El material en capas, hecho de capas de arseniuro de galio y arseniuro de galio indio, altera el comportamiento de los fotones que lo atraviesan de una manera altamente controlable. Esto permite a los investigadores controlar la frecuencia de las emisiones del material entre un 20 y un 30 por ciento. dice Kurman, quién 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 una especie de oscilación que tiene lugar en un material exótico como los dispositivos de capas bidimensionales utilizados en esta investigación. Dichos materiales "soportan oscilaciones elásticas en su superficie, muy estrechamente confinado "dentro del material, Rivera dice. Este proceso reduce efectivamente las longitudes de onda de la luz en órdenes de magnitud, él dice, reduciéndolo "casi a la escala atómica".

Debido a esa contracción, la luz puede ser absorbida por el semiconductor, o emitido por ella, él dice. En el material a base de grafeno, estas propiedades se pueden controlar directamente simplemente variando un voltaje aplicado a la capa de grafeno. De ese modo, "podemos controlar totalmente las propiedades de la luz, no solo medirlo, "Dice Kurman.

Aunque el trabajo se encuentra todavía 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 una gama más amplia de longitudes de onda de luz. lo que haría que los dispositivos fueran más eficientes para convertir la luz solar en electricidad. También podría dar lugar a dispositivos que produzcan luz, como láseres y LED, que podría ajustarse electrónicamente para producir una amplia gama de colores. "Esto tiene una medida de sintonía que va más allá de lo que está disponible actualmente, "Dice Kaminer.

"El trabajo es muy general, "Kurman dice, por lo que los resultados deberían aplicarse a muchos más casos que los específicos utilizados en este estudio. "Podríamos utilizar varios otros materiales semiconductores, y algunos otros polaritones de materia luminosa ". Si bien este trabajo no se realizó 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 silicio en este mundo "de dispositivos basados ​​en plasmones, Dice Kurman.

Debido a que los hallazgos son tan nuevos, Rivera dice, "debería permitir una gran cantidad de funciones que ni siquiera conocemos todavía".