Bin Liu, primer autor del artículo, se muestra en el laboratorio cargando una muestra dieléctrica estampada en una guantera. El nuevo detector es una de las primeras demostraciones de un dispositivo optoelectrónico práctico basado en polaritones. Crédito:Forrest Lab, Universidad de Michigan. Foto de Silvia Cardarelli.
Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de fotodetector de alta eficiencia inspirado en los complejos fotosintéticos que utilizan las plantas para convertir la luz solar en energía. Los fotodetectores se utilizan en cámaras, sistemas de comunicación óptica y muchas otras aplicaciones para convertir fotones en señales eléctricas.
"Nuestros dispositivos combinan el transporte de energía óptica de largo alcance con la conversión de largo alcance en corriente eléctrica", dijo el líder del equipo de investigación, Stephen Forrest, de la Universidad de Michigan. "Esta disposición, análoga a lo que se ve en las plantas, tiene el potencial de mejorar en gran medida la eficiencia de generación de energía de las células solares, que utilizan dispositivos similares a los fotodetectores para convertir la luz solar en energía".
Los complejos fotosintéticos que se encuentran en muchas plantas consisten en una gran región absorbente de luz que entrega energía molecular en estado excitado a un centro de reacción donde la energía se convierte en una carga. Si bien esta configuración es muy eficiente, imitarla requiere lograr un transporte de energía de largo alcance en un material orgánico, lo que ha resultado difícil de lograr.
Para lograr esta tarea aparentemente imposible, los investigadores utilizaron cuasipartículas únicas conocidas como polaritones. En Óptica journal, Forrest y sus colegas informan sobre su nuevo detector, que genera polaritones en una película delgada orgánica.
"Un polaritón combina un estado molecular excitado con un fotón, lo que le otorga propiedades similares a la luz y a la materia que permiten el transporte y la conversión de energía de largo alcance", dijo Forrest. "Este fotodetector es una de las primeras demostraciones de un dispositivo optoelectrónico práctico basado en polaritones".
Siguiendo el ejemplo de las plantas
Los investigadores imaginaron el nuevo detector hace varios años mientras buscaban formas de fabricar mejores células solares. "Después de observar la propagación del polaritón a largas distancias en estructuras simples como un espejo con una película orgánica en su superficie, pensamos que sería posible hacer un análogo fotosintético usando polaritones", dijo Forrest. "Sin embargo, fue bastante difícil descubrir cómo construir un dispositivo de este tipo".
Para crear un fotodetector basado en polaritones, los investigadores tuvieron que diseñar estructuras que permitieran la propagación de polaritones a largas distancias en una película delgada de semiconductores orgánicos. También tuvieron que descubrir cómo integrar un detector orgánico simple en la región de propagación de una manera que produjera una conversión eficiente de polaritón a carga.
"Tomamos prestadas estructuras que diseñamos previamente para crear células fotovoltaicas orgánicas eficientes", dijo Forrest. "Fue un poco fortuito que estas estructuras permitieran la recolección eficiente de la energía transportada por los polaritones. Los polaritones aún guardan algunos misterios, y esta es una nueva forma de usarlos, por lo que no estábamos seguros de si funcionaría".
Los investigadores desarrollaron un nuevo tipo de fotodetector de alta eficiencia que es similar a los complejos fotosintéticos que usan las plantas para convertir la luz solar en energía. El nuevo diseño integra un detector orgánico simple en la región de propagación para producir una conversión eficiente de polaritón a carga en distancias de hasta 100 micras (0,1 nm). Crédito:Bin Liu, Universidad de Michigan
Propagación a larga distancia
Los investigadores analizaron su nuevo dispositivo utilizando un microscopio plano de Fourier especial para observar la propagación del polaritón. Debido a la estructura inusual del detector, tuvieron que desarrollar una forma de cuantificar con precisión los resultados y ponerlos en el contexto de los detectores convencionales bien conocidos por la comunidad óptica.
Los resultados mostraron que el nuevo fotodetector es más eficiente para convertir la luz en corriente eléctrica que un fotodiodo de silicio comparable. También puede captar la luz de áreas de aproximadamente 0,01 mm 2 y lograr la conversión de luz en corriente eléctrica en distancias excepcionalmente largas de 0,1 nm. Esta distancia es tres órdenes mayor que la distancia de transferencia de energía de los complejos fotosintéticos.
Hasta ahora, la mayoría de los polaritones se han observado como cuasipartículas estacionarias en cavidades cerradas con espejos altamente reflectantes tanto en la parte superior como en la inferior. El nuevo trabajo reveló información importante sobre cómo se propagan los polaritones en estructuras abiertas con un solo espejo. El nuevo dispositivo también permitió las primeras mediciones de la eficiencia con la que los fotones incidentes se pueden convertir en polaritones.
"Nuestro trabajo muestra que los polaritones, además de ser una ciencia interesante, también son una mina de oro de aplicaciones aún por descubrir", dijo Forrest. "Devices such as ours provide an unusual, and possibly unique, method to understand the fundamental properties of polaritons and to enable yet to be imagined ways to manipulate light and charge." Light-infused particles go the distance in organic semiconductors
