Físicos del MIPT y la Universidad Estatal de Vladimir, Rusia, han convertido la energía de la luz en ondas superficiales en el grafeno con una eficiencia de casi el 90%. Se basaron en un esquema de conversión de energía similar a un láser y resonancias colectivas. El artículo fue publicado en Reseñas de láser y fotónica .

Manipular la luz a nanoescala es una tarea crucial para poder crear dispositivos ultracompactos para la conversión y el almacenamiento de energía óptica. Para localizar la luz a una escala tan pequeña, los investigadores convierten la radiación óptica en los llamados plasmones-polaritones superficiales. Estos SPP son oscilaciones que se propagan a lo largo de la interfaz entre dos materiales con índices de refracción drásticamente diferentes, específicamente, un metal y un dieléctrico o aire. Dependiendo de los materiales elegidos, el grado de localización de las ondas superficiales varía. Es el más fuerte para la luz localizada en un material de solo una capa atómica de espesor, porque tales materiales 2-D tienen altos índices de refracción.

Los esquemas existentes para convertir la luz en SPP en superficies 2-D tienen una eficiencia de no más del 10%. Es posible mejorar esa cifra mediante el uso de convertidores de señal intermediarios:nanoobjetos de diversas composiciones químicas y geometrías.

Los convertidores intermediarios utilizados en el estudio reciente en Reseñas de láser y fotónica son puntos cuánticos semiconductores con un tamaño de 5 a 100 nanómetros y una composición similar a la del semiconductor sólido del que se fabrican. Dicho eso las propiedades ópticas de un punto cuántico varían considerablemente con su tamaño. Entonces, al cambiar sus dimensiones, los investigadores pueden sintonizarlo con la longitud de onda óptica de interés. Si un conjunto de puntos cuánticos de varios tamaños se ilumina con luz natural, cada punto responderá a una longitud de onda particular.

Los puntos cuánticos tienen varias formas:cilindros, pirámides, esferas etc., y diferentes composiciones químicas. En su estudio, El equipo de investigadores rusos utilizó puntos cuánticos en forma de elipsoide de 40 nanómetros de diámetro. Los puntos sirvieron como dispersores colocados sobre la superficie del grafeno, que se iluminó con luz infrarroja a una longitud de onda de 1,55 micrómetros. Un tampón dieléctrico de varios nanómetros de espesor separó la hoja de grafeno de los puntos cuánticos.

La idea de utilizar un punto cuántico como dispersor no es nueva. Algunos de los estudios previos sobre grafeno utilizaron una disposición similar, con los puntos colocados sobre la hoja 2-D e interactuando tanto con la luz como con las ondas electromagnéticas de superficie en una longitud de onda común compartida por los dos procesos. Esto fue posible al elegir un tamaño de punto cuántico que fuera exactamente el correcto. Si bien un sistema de este tipo es bastante fácil de sintonizar con una resonancia, es susceptible a la extinción de la luminiscencia, la conversión de la energía de la luz incidente en calor, así como a la dispersión inversa de la luz. Como resultado, la eficiencia de la generación de SPP no superó el 10%.

"Investigamos un esquema en el que un punto cuántico colocado sobre el grafeno interactúa tanto con la luz incidente como con la onda electromagnética de la superficie, pero las frecuencias de estas dos interacciones son diferentes. El punto interactúa con la luz a una longitud de onda de 1,55 micrómetros y con el plasmón-polaritón de superficie a 3,5 micrómetros. Esto está habilitado por un esquema de interacción híbrido, "dice el coautor del estudio Alexei Prokhorov, investigador senior en el MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, y profesor asociado en la Universidad Estatal de Vladimir.

La esencia del esquema de interacción híbrida es que, en lugar de utilizar solo dos niveles de energía, el superior y el inferior, la configuración también incluye un nivel intermedio. Es decir, el equipo utilizó una estructura energética similar a la del láser. El nivel de energía intermedio sirve para permitir la fuerte conexión entre el punto cuántico y la onda electromagnética de superficie. El punto cuántico se excita a la longitud de onda del láser que lo ilumina, mientras que las ondas superficiales se generan a la longitud de onda determinada por la resonancia de punto cuántico SPP.

"Hemos trabajado con una variedad de materiales para la fabricación de puntos cuánticos, así como con varios tipos de grafeno, "Prokhorov explicó." Aparte del grafeno puro, también existe lo que se llama grafeno dopado, que incorpora elementos de los grupos vecinos en la tabla periódica. Dependiendo del tipo de dopaje, el potencial químico del grafeno varía. Optimizamos los parámetros del punto cuántico:su química, geometría, así como el tipo de grafeno, para maximizar la eficiencia de la conversión de energía luminosa en plasmones-polaritones superficiales. Finalmente, nos decidimos por el grafeno dopado y el antimonuro de indio como material de punto cuántico ".

A pesar de la entrada de energía altamente eficiente en el grafeno a través del intermediario de puntos cuánticos, la intensidad de las ondas resultantes es extremadamente baja. Por lo tanto, Es necesario utilizar una gran cantidad de puntos en una disposición específica por encima de la capa de grafeno. Los investigadores tuvieron que encontrar precisamente la geometría correcta, la distancia perfecta entre los puntos para garantizar la amplificación de la señal debido a la fase de los campos cercanos de cada punto. En su estudio, el equipo informa haber descubierto tal geometría y medir una señal en el grafeno que era órdenes de magnitud más poderosa que para los puntos cuánticos dispuestos al azar. Para sus cálculos posteriores, los físicos emplearon módulos de software de desarrollo propio.

La eficiencia de conversión calculada del nuevo esquema propuesto es tan alta como 90% -95%. Incluso teniendo en cuenta todos los posibles factores negativos que podrían afectar esta figura de mérito, se mantendrá por encima del 50%, varias veces más alto que cualquier otro sistema de la competencia.

"Una gran parte de esta investigación se centra en la creación de dispositivos ultracompactos que serían capaces de convertir la energía de la luz en plasmones-polaritones superficiales con una alta eficiencia y en una escala muy pequeña en el espacio". registrando así la energía de la luz en alguna estructura, "dijo el director del MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, Valentyn Volkov, quien fue coautor del estudio. "Es más, puedes acumular polaritones, potencialmente diseñando una batería ultradelgada compuesta por varias capas atómicas. Es posible utilizar el efecto en convertidores de energía lumínica similares a las células solares, pero con una eficiencia varias veces mayor. Otra aplicación prometedora tiene que ver con la detección de nano y bioobjetos ".