Una cuasipartícula llamada excitón, responsable de la transferencia de energía dentro de dispositivos como las células solares, LEDs, y circuitos semiconductores — se ha entendido teóricamente durante décadas. Pero el movimiento de excitones dentro de los materiales nunca se ha observado directamente.

Ahora, los científicos del MIT y el City College of New York han logrado esa hazaña, imágenes de los movimientos de los excitones directamente. Esto podría permitir la investigación que conduzca a avances significativos en electrónica, ellos dicen, así como una mejor comprensión de los procesos naturales de transferencia de energía, como la fotosíntesis.

La investigación se describe esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo escrito en coautoría por los postdoctorados del MIT Gleb Akselrod y Parag Deotare, los profesores Vladimir Bulovic y Marc Baldo, y otros cuatro.

"Esta es la primera observación directa de los procesos de difusión de excitones, "Bulovic dice, "mostrando que la estructura cristalina puede afectar drásticamente el proceso de difusión".

"Los excitones están en el corazón de los dispositivos que son relevantes para la tecnología moderna, "Akselrod explica:Las partículas determinan cómo se mueve la energía a nanoescala." La eficiencia de dispositivos como los fotovoltaicos y los LED depende de qué tan bien se muevan los excitones dentro del material, " él añade.

Un excitón que viaja a través de la materia como si fuera una partícula, empareja un electrón, que lleva una carga negativa, con un lugar donde se ha eliminado un electrón, conocido como agujero. En general, tiene carga neutra, pero puede transportar energía. Por ejemplo, en una celda solar, un fotón entrante puede chocar contra un electrón, patearlo a un nivel de energía más alto. Esa energía superior se propaga a través del material como un excitón:las partículas en sí no se mueven, pero la energía aumentada pasa de uno a otro.

Si bien anteriormente era posible determinar qué tan rápido, de media, los excitones podrían moverse entre dos puntos, "realmente no teníamos ninguna información sobre cómo llegaron allí, ", Dice Akselrod. Esta información es esencial para comprender qué aspectos de la estructura de un material, por ejemplo, el grado de orden o desorden molecular — podría facilitar o ralentizar ese movimiento.

"La gente siempre asumió cierto comportamiento de los excitones, "Dice Deotare. Ahora, utilizando esta nueva técnica, que combina la microscopía óptica con el uso de compuestos orgánicos particulares que hacen visible la energía de los excitones, "podemos decir directamente con qué tipo de comportamiento se movían los excitones". Este avance brindó a los investigadores la capacidad de observar cuál de los dos posibles tipos de movimiento de "salto" estaba ocurriendo realmente.

"Esto nos permite ver cosas nuevas, "Deotare dice, lo que permite demostrar que la estructura a nanoescala de un material determina la rapidez con la que los excitones quedan atrapados a medida que se mueven a través de él.

Para algunas aplicaciones, como LED, Deotare dice:es deseable maximizar esta captura, para que la energía no se pierda por fugas; para otros usos, como las células solares, es fundamental minimizar las trampas. La nueva técnica debería permitir a los investigadores determinar qué factores son más importantes para aumentar o disminuir esta captura.

"Mostramos cómo el desorden impide el flujo de energía, que es la característica definitoria de la mayoría de los materiales para células solares y LED de bajo costo, "Dice Baldo.

Si bien estos experimentos se llevaron a cabo utilizando un material llamado tetraceno, un arquetipo bien estudiado de un cristal molecular, los investigadores dicen que el método debería ser aplicable a casi cualquier material cristalino o de película delgada. Esperan que sea ampliamente adoptado por investigadores del mundo académico y de la industria.

"Es una técnica muy simple, una vez que la gente lo aprenda, "Akselrod dice, "y el equipo necesario no es tan caro".

La difusión de excitones también es un mecanismo básico que subyace a la fotosíntesis:las plantas absorben energía de los fotones, y esta energía es transferida por excitones a áreas donde se puede almacenar en forma química para su uso posterior en el apoyo del metabolismo de la planta. El nuevo método podría proporcionar una herramienta adicional para estudiar algunos aspectos de este proceso, dice el equipo.