Los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos han sintetizado puntos cuánticos dopados magnéticamente que capturan la energía cinética de los electrones creados por la luz ultravioleta antes de que se desperdicie en forma de calor.

"Este descubrimiento puede potencialmente habilitar novedosos, células solares de alta eficiencia, detectores de luz, fotocátodos y reacciones químicas impulsadas por la luz, "dijo Victor Klimov, investigador principal del proyecto de puntos cuánticos del laboratorio.

En células solares estándar, una gran cantidad de energía solar se desperdicia en forma de calor. Este desperdicio se produce debido a la falta de métodos eficaces para capturar la energía cinética de los electrones "calientes" generados por los fotones en la parte verde a ultravioleta del espectro de luz del sol. El problema es que los electrones calientes pierden su energía muy rápidamente debido a las interacciones con la red cristalina de la que están hechos los dispositivos. provocando vibraciones conocidas como fonones. Este proceso generalmente ocurre en unos pocos picosegundos (billonésimas de segundo).

Los esfuerzos anteriores para capturar la energía portadora caliente han explotado la transferencia de energía cinética del electrón caliente energético a un inmóvil, electrón de baja energía excitándolo a un estado conductor de corriente. Este efecto, conocido como multiplicación de portadores, duplica el número de electrones que contribuyen a la fotocorriente que se puede utilizar para aumentar el rendimiento de las células solares. En la mayoría de materiales convencionales, sin embargo, las pérdidas de energía de los fonones superan las ganancias de energía de la multiplicación de portadoras.

En su estudio publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores demuestran que la incorporación de iones magnéticos en puntos cuánticos puede mejorar enormemente la utilidad, interacciones que producen energía para que se vuelvan más rápidas que la dispersión de fonones derrochadora.

Para implementar estas ideas, los investigadores prepararon puntos cuánticos dopados con manganeso basados ​​en seleniuro de cadmio. "El fotón absorbido por el punto cuántico de seleniuro de cadmio crea un par electrón-agujero, o un excitón, ", dijo Klimov." Este excitón es rápidamente atrapado por el dopante creando un estado de excitación que almacena energía como un resorte comprimido. Cuando el segundo fotón es absorbido por el punto cuántico, la energía almacenada se libera y se transfiere al excitón recién creado promoviéndolo a un estado de mayor energía. La energía liberada por el ion manganeso está acompañada por el cambio de su momento magnético, conocido como giro. Por lo tanto, este proceso se denomina transferencia de energía sinfín de intercambio de espín ".

Una observación intrigante de los científicos de LANL fue la escala de tiempo extremadamente corta de las interacciones Auger de intercambio de espín:alrededor de una décima de picosegundo. Para su sorpresa, estas interacciones fueron más rápidas que las emisiones de fonones, que generalmente se creía que era el proceso más rápido en materiales semiconductores. Para demostrar que el nuevo efecto podría vencer al enfriamiento asistido por teléfono, Los investigadores de Los Alamos demostraron que los puntos cuánticos dopados magnéticamente correctamente diseñados les permitían extraer un electrón caliente creado por un fotón ultravioleta antes de que pierda su energía para calentar la red cristalina.

Estos hallazgos que cambian el paradigma abren oportunidades interesantes para explotar los procesos Auger de intercambio de espín en esquemas avanzados para impulsar el rendimiento de las células solares o impulsar reacciones fotoquímicas inusuales. También se prevén oportunidades interesantes en áreas de alta sensibilidad, detección de luz de alta velocidad y nuevos tipos de fuentes de electrones impulsadas por luz.