Científicos de UC San Diego, El MIT y la Universidad de Harvard han diseñado "plexcitones topológicos, "partículas portadoras de energía que podrían ayudar a hacer posible el diseño de nuevos tipos de células solares y circuitos ópticos miniaturizados".

Los investigadores informan de su avance en un artículo publicado en la edición actual de Comunicaciones de la naturaleza .

Dentro del mundo liliputiense de la física del estado sólido, la luz y la materia interactúan de formas extrañas, intercambiando energía entre ellos.

"Cuando la luz y la materia interactúan, intercambian energía, "explicó Joel Yuen-Zhou, profesor asistente de química y bioquímica en UC San Diego y primer autor del artículo. "La energía puede fluir hacia adelante y hacia atrás entre la luz en un metal (llamado plasmón) y la luz en una molécula (llamado excitón). Cuando este intercambio es mucho más rápido que sus respectivas tasas de desintegración, sus identidades individuales se pierden, y es más exacto pensar en ellos como partículas híbridas; los excitones y los plasmones se casan para formar plexcitones ".

Los científicos de materiales han estado buscando formas de mejorar un proceso conocido como transferencia de energía de excitones, o EET, para crear mejores células solares, así como circuitos fotónicos miniaturizados que son docenas de veces más pequeños que sus contrapartes de silicio.

"Comprender los mecanismos fundamentales de la mejora de EET alteraría la forma en que pensamos sobre el diseño de células solares o las formas en que la energía se puede transportar en materiales a nanoescala, "dijo Yuen-Zhou.

El inconveniente de EET, sin embargo, es que esta forma de transferencia de energía es de muy corto alcance, en la escala de solo 10 nanómetros, y se disipa rápidamente cuando los excitones interactúan con diferentes moléculas.

Una solución para evitar esas deficiencias es hibridar excitones en un cristal molecular con las excitaciones colectivas dentro de los metales para producir plexcitones, que viajan por 20, 000 nanómetros, una longitud del orden del ancho del cabello humano.

Se espera que los plexcitones se conviertan en una parte integral de la próxima generación de circuitos nanofotónicos, arquitecturas de energía solar de captación de luz y dispositivos de catálisis química. Pero el principal problema con los plexcitones, dijo Yuen-Zhou, es que su movimiento en todas direcciones, lo que dificulta el uso adecuado de un material o dispositivo.

Él y un equipo de físicos e ingenieros del MIT y Harvard encontraron una solución a ese problema mediante la ingeniería de partículas llamadas "plexcitones topológicos, basándose en los conceptos en los que los físicos del estado sólido han podido desarrollar materiales denominados "aislantes topológicos".

"Los aislantes topológicos son materiales que son aislantes eléctricos perfectos en su mayor parte pero que en sus bordes se comportan como cables metálicos unidimensionales perfectos, ", Dijo Yuen-Zhou." La característica interesante de los aislantes topológicos es que incluso cuando el material es imperfecto y tiene impurezas, hay un gran umbral de operación donde los electrones que comienzan a viajar en una dirección no pueden rebotar, haciendo robusto el transporte de electrones. En otras palabras, uno puede pensar que los electrones son ciegos a las impurezas ".

Plexcitones, a diferencia de los electrones, no tienen carga eléctrica. Todavía, como descubrieron Yuen-Zhou y sus colegas, todavía heredan estas robustas propiedades direccionales. Agregar esta característica "topológica" a los plexcitones da lugar a la direccionalidad de EET, una característica que los investigadores no habían concebido previamente. Eventualmente, esto debería permitir a los ingenieros crear interruptores plexcitónicos para distribuir energía de manera selectiva entre diferentes componentes de un nuevo tipo de celda solar o dispositivo de recolección de luz.