En la búsqueda de cosechar luz para la electrónica, el punto focal es el momento en que los fotones (partículas de luz) se encuentran con electrones, esas partículas subatómicas cargadas negativamente que forman la base de nuestras vidas electrónicas modernas. Si las condiciones son las adecuadas cuando los electrones y los fotones se encuentran, puede producirse un intercambio de energía. Maximizar esa transferencia de energía es la clave para hacer posible una energía eficiente capturada por la luz.

"Este es el ideal, pero encontrar una alta eficiencia es muy difícil, ", dijo el estudiante de doctorado en física de la Universidad de Washington, Sanfeng Wu." Los investigadores han estado buscando materiales que les permitan hacer esto; una forma es hacer que cada fotón absorbido transfiera toda su energía a muchos electrones, en lugar de un solo electrón en los dispositivos tradicionales ".

En los métodos tradicionales de recolección de luz, la energía de un fotón solo excita un electrón o ninguno, dependiendo de la brecha de energía del absorbedor, transfiriendo solo una pequeña parte de la energía luminosa en electricidad. La energía restante se pierde en forma de calor. Pero en un documento publicado el 13 de mayo en Avances de la ciencia , Wu, El profesor asociado de la Universidad de Washington, Xiaodong Xu, y sus colegas de otras cuatro instituciones describen un enfoque prometedor para convencer a los fotones para que estimulen múltiples electrones. Su método explota algunas interacciones sorprendentes a nivel cuántico para dar a un fotón múltiples socios potenciales de electrones. Wu y Xu, que tiene nombramientos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UW y en el Departamento de Física, hizo este sorprendente descubrimiento utilizando grafeno.

"El grafeno es una sustancia con muchas propiedades interesantes, "dijo Wu, el autor principal del artículo. "Para nuestros propósitos, muestra una interacción muy eficiente con la luz ".

El grafeno es una red hexagonal bidimensional de átomos de carbono unidos entre sí, y los electrones pueden moverse fácilmente dentro del grafeno. Los investigadores tomaron una sola capa de grafeno, solo una hoja de átomos de carbono de espesor, y la intercalaron entre dos capas delgadas de un material llamado nitruro de boro.

"El nitruro de boro tiene una estructura reticular muy similar al grafeno, pero tiene propiedades químicas muy diferentes, "dijo Wu." Los electrones no fluyen fácilmente dentro del nitruro de boro; esencialmente actúa como un aislante ".

Xu y Wu descubrieron que cuando la red de la capa de grafeno se alinea con las capas de nitruro de boro, Se crea un tipo de "superrejilla" con propiedades que permiten la optoelectrónica eficiente que los investigadores habían buscado. Estas propiedades se basan en la mecánica cuántica, las reglas, ocasionalmente desconcertantes, que gobiernan las interacciones entre todas las partículas conocidas de materia. Wu y Xu detectaron regiones cuánticas únicas dentro de la superrejilla conocida como singularidades de Van Hove.

"Estas son regiones con una enorme densidad de electrones de estados, y no se accede a ellos ni en el grafeno ni en el nitruro de boro solo, ", dijo Wu." Solo creamos estas regiones de alta densidad de electrones de una manera accesible cuando ambas capas estaban alineadas ".

Cuando Xu y Wu dirigieron fotones energéticos hacia la superrejilla, descubrieron que esas singularidades de Van Hove eran sitios donde un fotón energizado podía transferir su energía a múltiples electrones que luego son recolectados por electrodos, no solo un electrón o ninguno con la energía restante perdida como calor. Por una estimación conservadora, Xu y Wu informan que dentro de esta superrejilla un fotón podría "patear" hasta cinco electrones para que fluyan como corriente.

Con el descubrimiento de recolectar múltiples electrones tras la absorción de un fotón, los investigadores pueden crear dispositivos altamente eficientes que puedan recolectar luz con un gran beneficio energético. El trabajo futuro necesitaría descubrir cómo organizar los electrones excitados en corriente eléctrica para optimizar la eficiencia de conversión de energía y eliminar algunas de las propiedades más engorrosas de su superrejilla. como la necesidad de un campo magnético. Pero creen que este proceso eficiente entre fotones y electrones representa un gran avance.

"El grafeno es un tigre con un gran potencial para la optoelectrónica, pero encerrado en una jaula, ", dijo Wu." Las singularidades en esta superrejilla son la clave para desbloquear esa jaula y liberar el potencial del grafeno para la aplicación de recolección de luz ".