Diodos emisores de luz, o LED, como se les conoce comúnmente, han ido reemplazando lentamente las bombillas incandescentes en aplicaciones que van desde las luces traseras de los automóviles hasta los indicadores electrónicos desde su invención en la década de 1960.

Evitando el filamento de una bombilla incandescente y el vapor de mercurio de una bombilla fluorescente, En cambio, los LED generan luz aplicando un voltaje a través de un semiconductor. Los electrones se combinan con huecos (lugares en la estructura cristalina donde un electrón podría pero no existe, haciéndolos cargados positivamente), que conduce a la emisión de fotones, partículas de luz.

La mayoría de los LED utilizan semiconductores hechos de un material llamado nitruro de galio (GaN). Estos LED de GaN son fiables y seguros, pero tienen la desventaja de volverse ineficaces rápidamente a medida que aumenta el voltaje, un fenómeno llamado "caída de la eficiencia".

"Más del 10 por ciento de la electricidad generada en los EE. UU. Se usa para iluminación en los sectores comercial y residencial. Un cambio al uso generalizado de iluminación LED conduciría a ahorros de energía dramáticos, pero la disminución de la eficiencia es un obstáculo importante, "dice Marco Bernardi, profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech y autor correspondiente de un artículo reciente sobre la fuente de la caída de la eficiencia que se publicó en Nano Letters.

La caída de la eficiencia ocurre cuando los electrones excitados sobrepasan los pozos cuánticos de nanómetros de profundidad en GaN. Los pozos están diseñados para atrapar electrones y combinarlos con agujeros. Cuando los electrones son demasiado energéticos para ser atrapados por los pozos, se filtran de los dispositivos LED sin emitir ninguna luz.

"Se han propuesto varios modelos para explicar esta fuga de electrones, pero tienden a centrarse en análisis cualitativos que utilizan la intuición para justificar la evidencia experimental, "Dice Bernardi.

Usando nuevos métodos computacionales desarrollados en Caltech, un equipo dirigido por Bernardi estudió GaN a nivel atómico y cómo las vibraciones reticulares (el "zumbido" de fondo de los movimientos térmicos atómicos en un sólido) afectan a los electrones del material. Se sabía que este zumbido drena energía tanto de electrones como de huecos. Sin embargo, Bernardi descubrió que el drenaje ocurre más rápido para los huecos que para los electrones, un desajuste que permite que los electrones sobrepasen los pozos cuánticos. escapando del GaN sin siquiera combinarse con agujeros y emitir luz.

"Nuestro trabajo muestra por primera vez que la interacción siempre presente entre electrones con vibraciones reticulares puede, por sí mismo, explicar por qué los electrones excitados pueden escaparse de la capa activa y dar cuenta de las ineficiencias en los LED de GaN, "Dice Bernardi.

Bernardi y sus colegas aún no han terminado de investigar la caída en GaN. Próximo, planean estudiar cómo la caída depende de la temperatura y otras propiedades del material.

El estudio se titula "Dinámica de portadora caliente ultrarrápida en GaN y su impacto en la caída de la eficiencia".